Экологическая оценка годичной динамики тяжелых металлов в

УДК 574:630*182(470-25):669.018.674.
На правах рукописи
Авилова Анастасия Александровна
Экологическая оценка годичной динамики тяжелых
металлов в базовых компонентах лесных экосистем северной
части Московского мегаполиса
(на примере ЛОД РГАУ - МСХА имени К. А. Тимирязева)
Специальность 03.02.08 – экология (биология)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Москва – 2015
Работа выполнена на кафедре экологии ФГБОУ ВО «Российский
государственный аграрный университет – МСХА имени К.А. Тимирязева»
Научный руководитель:
Васенев Иван Иванович
доктор биологических наук, профессор,
ФГБОУ ВО «Российский государственный
аграрный университет – МСХА имени
К.А. Тимирязева»
Официальные оппоненты:
Касатиков Виктор Александрович
доктор сельскохозяйственных наук,
профессор, ФГБНУ «Всероссийского
научно-исследовательского института
органических удобрений и торфа»
Богатырев Лев Георгиевич
кандидат биологических наук, доцент,
ФГБОУ ВО «Московский государственный
университет имени М.В. Ломоносова»
Ведущая организация:
ФГБУ ВО «Воронежский государственный
университет»
Защита диссертации состоится «25» декабря 2015 г. в 15 час. 30 мин.
на заседании диссертационного совета Д 220.043.03 на базе ФГБОУ ВО
«Российский государственный аграрный университет–МСХА имени
К.А. Тимирязева», по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 19,
тел/факс: 8 (499) 976-21-84,e-mail: dissovet@timacad.ru .
С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной
библиотеке имени Н.И. Железнова ФГБОУ ВО «Российский
государственный аграрный университет – МСХА имени К.А. Тимирязева»
и на сайте Университета www.timacad.ru
Автореферат разослан «
» октября 2015 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета, к.б.н.
О.В. Селицкая
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность
проблемы.
Техногенное
загрязнение
урбанизированных территорий тяжелыми металлами является одной из
основных причин ухудшения экологической обстановки в городе
(Водяницкий и др, 2010; Черников и др., 2013). Среди многочисленных
загрязнителей наибольшую опасность представляют собой тяжелые
металлы (ТМ) из-за токсичности их избыточных количеств, своей
долговечности и практической невыводимости из системы: «почва –
растения – животные – человек» (Ревич и др.,1990, Яшин и др., 2010). В
химии тяжелые металлы выделяются в особую группу, поскольку при их
высокой концентрации они оказывают токсическое действие на растения
(Васенев и др., 2007). Среди приоритетных загрязнителей биосферы
наибольшую опасность представляют свинец, цинк, медь, кадмий
(«Агроэкология», 2000; Жидеева и др., 2000; 2002; «Environmental heavy
metal …», 2010; «Heavy Metals…», 2011; Тишкина и др., 2011), т.к. их
техногенное накопление в окружающей среде идет высокими темпами. В
связи с этим комплексные исследования в области экологического
мониторинга становятся все более актуальными (Васенев, Букреев, 1993;
«Методика…», 2004), в частности на территориях крупных городов,
характеризующихся высоким антропогенным воздействием.
Степень разработанности темы. Экологический каркас Московского
мегаполиса – крупнейшего в Европе, сформирован массивами лесных
экосистем, среди которых можно выделить Лесную опытную дачу РГАУМСХА имени К.А. Тимирязева, в пределах которой на протяжении 150 лет
проводятся систематизированные почвенно-экологические наблюдения
(Гречин, 1957; Мосина, 2003; Васенев и др., 2007; Раскатова, 2009; Яшин и
др., 2010; 2014; Буринова, 2011; Визирская, 2014; Наумов и др., 2014).
Одним
из
интегральных
критериев
оценки
экологического
функционирования лесных экосистем является оценка содержания и
запасов тяжелых металлов в базовых компонентах экосистем. Оценка
экологического состояния представительных ландшафтов Лесной опытной
дачи осложняется высокой пространственно-временной изменчивостью
содержания и распределения тяжелых металлов, морфогенетических и
физико-химических свойств почв фоновых ландшафтов, большой
вариативностью их функционального использования (селитебные,
рекреационные, зоны промышленного производства). В то же время
высокая динамичность свойств лесных экосистем (в частности по
содержанию
и
запасам
ТМ)
обуславливает
необходимость
мониторинговых исследований для объективной оценки их экологического
функционирования и состояния.
Цель и задачи. Цель работы провести комплексные экологические
исследования изменения годичной динамики содержания тяжелых
металлов (Cd, Pb, Zn, Cu) в базовых компонентах фоновых лесных
3
экосистем северной части Московского мегаполиса (на примере Лесной
опытной дачи РГАУ – МСХА имени К.А. Тимирязева), с оценкой
основных факторов, влияющих на варьирование исследуемых
поллютантов в системе: «снежный покров – почва – напочвенная
растительность».
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1.
Мониторинговые наблюдения за годичной динамикой и
поведением приоритетных представителей тяжёлых металлов (Cd, Pb, Zn,
Cu) в верхних горизонтах подзолистых почв представительных
ландшафтов Лесной опытной дачи (2012–2014).
2.
Анализ содержания и запасов тяжёлых металлов в весеннем
снегозапасе исследуемых экосистем, с оценкой модулей их техногенного
поступления и закономерностей пространственной дифференциации.
3.
Анализ содержания и запасов тяжёлых металлов в
напочвенной растительности на представительных ключевых участках
фонового экологического мониторинга и трансектах Лесной опытной дачи,
идущих от основного линейного источника загрязнения к центру лесного
массива.
4.
Экологическая оценка годичной динамики и основных
факторов пространственной дифференциации содержания и запасов
исследуемых тяжелых металлов в базовых компонентах представительных
вариантов фоновых лесных экосистем северной части Московского
мегаполиса (на примере Лесной опытной дачи РГАУ-МСХА имени К.А.
Тимирязева).
Научная новизна. Проведена экологическая оценка годичной и
сезонной динамики содержания исследуемых тяжелых металлов (Cd, Pb,
Zn, Cu) в базовых компонентах представительных фоновых лесных
экосистем Московского мегаполиса на примере Лесной опытной дачи
РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. Установлена определяющая роль
мезорельефа (даже в случае форм, характеризующихся малоконтрастной
пространственной
дифференциацией)
и
линейных
источников
техногенного загрязнения (дорожная сеть) в характере пространственной
дифференциации содержания и запасов тяжелых металлов в снегу,
почвенном покрове и растительности фонового лесного биогеоценоза.
В результате многолетнего экологического мониторинга фоновых
лесных экосистем показано значительное пространственное варьирование
по формам рельефа содержания тяжелых металлов в их базовых
компонентах:
а) для почвы: Pb – в 2,0-3,6, Cu – в 0,8-2,0, Zn – в 1,2-1,6, Cd– в 1,7-11 раз;
б) для снега: Pb – в 1,4-1, 8, Cu – в 1,3-1,5, Zn – в 1,5-1,9, Cd – в 1,2 – 2,2
раза;
в) для объединенных проб напочвенной растительности: Pb – в 1,8-2,5, Cu
и Zn – в 2,0, Cd –в 2,8 раза
4
– что сопоставимо с техногенным трендом влияния на них автотранспорта,
как основного линейного загрязнителя в условиях Москвы, и должно
приниматься во внимание при планировании мониторинговых
исследований и интерпретации их результатов.
Теоретическая и практическая значимость работы. Данная
работа является продолжением и развитием проводимых на Лесной
опытной РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева с 2006 года
мониторинговых экологических наблюдений за содержанием и
накоплением тяжелых металлов в базовых компонентах лесных экосистем
северной части Московского мегаполиса (Васенев и др., 2007;
Раскатова,2008; Буринова, 2011; Васенев и др., 2015).
Исследования проводились в рамках единой программы
экологического мониторинга Лесной опытной дачи РГАУ-МСХА имени
К.А. Тимирязева, как традиционного объекта фонового мониторинга
Московского
мегаполиса,
для
уточнения
закономерностей
пространственного варьирования экологического состояния почв фоновых
территорий Москвы и уровня загрязнения различных функциональных зон
Московского мегаполиса. Полученные результаты по диапазону
варьирования содержания тяжелых металлов в базовых компонентах
лесных экосистем, (в среднем xmax/xmin=1,77), представляют несомненный
интерес для решения задач планирования мониторинга содержания
тяжелых металлов в различных функциональных зонах города и
интерпретации его результатов.
Методология и методы диссертационного исследования. Оценка
содержания тяжелых металлов, агрохимических и физико-химических
свойств исследуемых почв проводилась по принятым ГОСТированным
методикам. Статистическая обработка экспериментальных данных для
установления
взаимосвязей
между
изучаемыми
параметрами
производилась в пакете EXCEL-2010, STATISTICA-8.0.
Положения, выносимые на защиту:
1. Годичная динамика и накопление тяжелых металлов в снежном
покрове представительных фоновых лесных экосистем Московского
мегаполиса напрямую связаны с продолжительностью зимнего периода,
количеством дней с устойчивым снежным покровом и формой
мезорельефа.
2. Основным фактором значительной (в среднем – до 2,9 раз)
пространственной дифференциации содержания тяжелых металлов в
верхних горизонтах почв фоновых лесных экосистем мегаполиса является
мезорельеф и определяемые им экогеохимические формы ландшафта.
3. Адаптивная реакция растительности на техногенное загрязнение
проявляется в значительном снижении коэффициентов биологического
поглощения тяжелых металлов при увеличении их содержания в верхних
почвенных горизонтах аккумулятивных элементов ландшафта (в среднем
на 0,4 КБП).
5
Степень достоверности и апробация результатов. Работа
выполнена с использованием современных методик и оборудования. Все
результаты были статистически обработаны. Основные положения
диссертации были изложены на заседаниях кафедры экологии РГАУМСХА имени К.А. Тимирязева; на Международных научных конференциях молодых ученых в РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (Москва,
2013, 2014, 2015), XVI и XVIII «Докучаевских молодежных чтениях»
(Санкт-Петербург, 2013 и 2015); на Московской международной летней
экологической школе MOSES – 2013, 2015; на 18-й Международной
Пущинской школе-конференции «Биология – наука XXI века»; на XXII
Международной конференции студентов, аспирантов, молодых ученых
«Ломоносов» (Москва, 2015).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, из
которых 2 публикации в журналах, рекомендованных ВАК РФ и 1 – на
иностранном языке.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
шести глав, заключения и выводов, изложенных на 157 страницах
машинописного текста, содержит 37 таблиц и 38 рисунков. Список
литературы насчитывает 229 наименований, в том числе 28 на английском
языке.
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность за
помощь в работе над диссертацией научному руководителю д.б.н., проф.
И.И. Васеневу, за ценные консультации – профессорам И.М. Яшину, Л.В.
Мосиной, В.А. Черникову, доценту Е.Б. Таллеру, за помощь при
проведении анализов и обсуждении результатов – заведующей кафедры
микробиологии, доценту Селицкой О.В, к. т. н. В.В. Горину и сотрудникам
химической лаборатории ООО «ЭКОГЕОТЕХ»: к. б. н. Б.В. Багиной и
Ф.А. Иванникову, П.А. Васильеву и М.Е. Малафеевой; к.б.н. М.М.
Визирской и ассистенту М.В. Тихоновой, а также всем преподавателям и
сотрудникам кафедры экологии РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ВВЕДЕНИЕ. Обоснована актуальность темы исследования, описана
степень разработанности темы, сформулированы основная цель и задачи
исследования, научная новизна, обоснована теоретическая и практическая
значимость работы, описаны методология и методы диссертационного
исследования, основные положения, выносимые на защиту, отражены
степень достоверности и апробация результатов.
Глава I Обзор литературы: Проблема загрязнения лесных экосистем
тяжелыми металлами
Одним из наиболее опасных видов техногенного воздействия на
естественные и искусственные экосистемы является загрязнение тяжелыми
6
металлами (ТМ), поскольку они обладают способностью накапливаться в
верхних горизонтах почв и других компонентах биосферы (Буренков,
1997, Феленберг, 1997, Колесников, 2000, Водяницкий, 2005, Baron, 2006;
Сает и др., 1990; «Тяжелые…», 1997; «Environmental heavy metal…», 2010).
К тяжелым металлам относятся металлы с удельным весом более 4,5 г/см3.
(Кабата-Пендиас, 1989; Черных, 2002). Среди них особую угрозу
представляют кадмий, свинец, ртуть, цинк, медь (Черников, 2000; Brown
S.E., 2008; ПНД Ф 16.1:2:2.2:2.3.46-06;Тишкина, 2010).
При анализе проблем загрязнения базовых компонентов экосистем
ТМ в России традиционно большое внимание уделяется анализу
техногенных
факторов
загрязнения
(дорожная
инфраструктура,
промышленные предприятия и т.д.) (Войтович, 1997; Черных, Овчаренко,
2002; Дабахов, 2005; Игонов, 2012; Фирсов, 2014 и др.). Значительно
меньшее
внимание
уделяется
факторам
пространственной
дифференциации
базовых
компонентов
окружающей
среды,
испытывающих загрязнение. Наиболее остро проблема стоит в условиях
мегаполисов.
Москва является крупнейшим мегаполисом России и Европы (с
плотностью населения 4857,66 чел/км2), в котором традиционно
отмечается острое загрязнение ТМ (Добровольский и др., 2003;
Кульбачевский, 2010). При этом почвенный покров Москвы
характеризуется
повышенной
неоднородностью,
разнообразным
сочетанием литолого-геоморфологических условий, различной историей
землепользования и контрастными условиями техногенного загрязнения
различных функциональных зон города (селитебная, промышленная,
рекреационная).
Экологический каркас мегаполиса Москва сформирован землями
лесного фонда, которые в основном представлены крупными особо
охраняемыми природными территориями (ООПТ) (Кульбачевский, 2012).
В условиях современного города ООПТ играют важную роль в решении
проблемы оздоровления среды, создания комфортных условий
проживания и поддержании устойчивого функционирования городских
экосистем, а также выполняют функции контрольных объектов
экологического
мониторинга.
К
традиционным
наиболее
представительным объектам проведения экологических исследований в
САО г. Москвы относится Лесная опытная дача РГАУ-МСХА имени
К.А.Тимирязева, на территории которой сконцентрировано большое
количество участков различных наблюдений, включая и оценку
загрязнения базовых компонентов экосистем тяжелыми металлами.
Большое количество данных, накопленное в ходе изучения экологического
состояния и загрязнения, уровней загрязнения базовых компонентов
экосистем различных ООПТ Москвы, показывает широкий диапазон
варьирования содержания тяжелых металлов в изучаемых компонентах
7
ландшафтов (Войтович, 1997; Черных, 2002; Ладонин, 2003; Мосина, 2003;
Раскатова, 2008; Багина, 2011; Яшин,2000, 2010; Савич, 2014).
Важно подчеркнуть, что Лесная опытная дача РГАУ-МСХА имени
К.А. Тимирязева отличается характерной для Москвы повышенной
неоднородностью почвенного покрова, большим сочетанием литологогеоморфологических условий, историей землепользования и контрастными
условиями техногенного загрязнения.
С целью повышения качества мониторинговых наблюдений за
экологическим
состоянием
почв
городских
территорий,
характеризующихся широким диапазоном варьирования различных
параметров и высокой степенью мозаичности, важно выбирать эталоны
сравнения, сопоставимые по своим морфогенетическим и ландшафтноэкологическим характеристикам с исследуемыми объектами мониторинга.
Поэтому, в качестве эталонов сравнения в городах могут быть
использованы территории ООПТ, с анализом основных закономерностей
пространственной дифференциации морфогенетических особенностей и
экологического состояния базовых компонентов их экосистем. Это важно
принимать во внимание при интерпретации результатов наблюдений и
подборе контрольных объектов, соизмеримых с основными объектами
изучения.
В данной работе предпринята попытка реализации такого подхода на
примере Лесной опытной дачи РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева,
имеющей типичную для южно-таежных лесов организацию почвенного
покрова и длительную историю почвенно-экологических наблюдений.
Глава II Объекты и методы исследований
Исследования проводились на территории Тимирязевского района
Северного административного округа (САО) г. Москвы в пределах
традиционного объекта экологического мониторинга – Лесной опытной
дачи РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (рис. 1), располагающей
представительным набором фоновых лесных экосистем с многолетней
историей мониторинговых наблюдений.
Согласно
экологическому
районированию
г.
Москвы
(http://www.dpioos.ru/eco/ru/department) САО занимает седьмое место среди
округов города, что свидетельствует об относительно напряженной
экологической обстановке в его пределах, что вероятно является
следствием дисбаланса в использовании земель – большого количества
территорий, занятых промышленными предприятиями и дорожнотранспортным комплексом. Наиболее благополучными с экологической
точки зрения являются муниципальные районы Головинский,
Левобережный, Тимирязевский, Восточное и Западное Дегунино.
8
Рисунок 1 – Расположение объекта исследования – Лесной опытной дачи
(ЛОД) РГАУ-МСХА имени К. А. Тимирязева
Лесная опытная дача представляет собой целостный лесной массив,
площадью 232,2 га, на территории которого более 150 лет ведутся научноисследовательские и учебные работы, а также мониторинговые
наблюдения, имеющие большую ценность, как для лесоводственных
знаний, так и для смежных наук (Гречин, 1957; Наумов и др, 2001;
Довлетярова, 2005). В настоящее время лесонасаждения ЛОД состоят из
древостоев
естественного
и
искусственного
происхождения,
представленных почти в равных соотношениях (в долях лесопокрытой
площади 52% и 48%, соответственно). Преобладающая порода – сосна
(34% лесопокрытой площади). Средний возраст древостоя около 100 лет.
Лесная опытная дача расположена на плоском водораздельном
моренном холме (высота над уровнем моря 175м) с пологим склоном на
юго-запад и слабопокатым коротким склоном на северо-восток. Перепад
абсолютных высот на территории ЛОД составляет около 15 м (Нестеров,
1935; Тимофеев, 1966; Поляков, 1993; Наумов, 2009). В ландшафтах ЛОД
отмечено преобладание моренного красно-бурого суглинка двучленного
строения, в сочетании с покровными и флювиогляциальными
отложениями (Васенев и др., 2007).
ЛОД относится к малочисленным объектам в системе
экологического мониторинга городских почв Москвы, характеризующихся
высокой пространственной неоднородностью, в которых сохранились
характерные для фоновых южно-таежных экосистем центральной части
европейской России подзолистые и болотно-подзолистые почвы с
естественным почвенным покровом, отличающимся преобладанием
дерново-подзолистых почв с различным уровнем развития органогенного
9
гумусово-аккумулятивного, подзолистого и переходных горизонтов с
разной степенью оглеения («Почва, город, экология», 1997; Яшин и др.,
2000; «Антропогенные почвы…», 2003; Савич и др., 2003; Мосина, 2003,
Наумов, 2009; Прокофьева и др., 2010).
Для анализа годичной динамики тяжелых металлов в базовых
компонентах представительных лесных экосистем Лесной опытной дачи
РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева проводились мониторинговые
исследования на двух группах объектов (рис. 2):
1)
ключевых участках фонового экологического мониторинга
(таб.2.3.1) размером 40 х 40 метров, характеризующих в катене фоновое
разнообразие исследуемого ландшафта, с минимальным уровнем
техногенной нагрузки и располагающиеся поперек приводораздельного
холма Лесной опытной дачи по линии фоновой почвенно-экологической
трансекты длинной 800 м (Васенев и др., 2007);
2)
двух техногенных трансектах, идущих по направлению в центр
лесного массива от основного линейного источника техногенной нагрузки
на ЛОД – Тимирязевской улицы.
Ключевые участки №1 (НСВ) и №2 (ССВ) заложены на подошве
сравнительно прямого короткого слабопокатого склона и в средней части
склона моренного холма (крутизна 3°) северо-восточной экспозиции,
соответственно (рис. 2). Ключевой участок фонового экологического
мониторинга № 3 (ВМХ) находится на пологой приводораздельной
вершине небольшого моренного холма и является узловым элементом
исследуемой катены. Ключевые участки №4 (СЮЗ) и №5 (НЮЗ)
располагаются в средней части и на подошве пологого слабовогнутого
склона повышенной длины юго–западной экспозиции.
Ключевые участки:
1 – нижняя часть
северо-восточного
склона (НСВ)
2 – средняя часть северовосточного склона (ССВ)
3 – вершина моренного
холма (ВМХ)
4 – средняя часть югозападного склона (СЮЗ)
5 – нижняя часть югозападного склона (НЮЗ)
Трансекта А «Светофор»
Трансекта Б «Ложбина»
Рисунок 2 – Картосхема размещения исследуемых объектов на
Лесной опытной даче РГА-МСХА имени К.А.Тимирязева
Точки наблюдения техногенных трансект А «Светофор» и Б
«ложбина» (рис. 2) на расстоянии: 0м, 5м, 15м, 50м, 100м от автодороги.
10
Трансекта А «Светофор» располагается на перекрестке и характеризуется
повышенными выбросами от автотранспорта и преимущественно
аэральным поступлением тяжелых металлов. В пониженном элементе
рельефа северо-восточной части ЛОД находится Трансекта Б «Ложбина» и
пеоказывает дополнительный привнос загрязнителей с поверхностным и
внутрипочвенным стоком.
Таблица 1 – Краткая характеристика участков исследования (с
использованием материалов И.И. Васенева с соавторами (2007))
КУ1*
Тип леса и
состав древостоя
1–
(НСВ)
Сосняк осоковощитовниковый
4С3К2Лп+Б+едЕ
2–
(ССВ)
Сосняк с кленом
сложный осоковощитовниковый
С5К + Д +Лп+Б
3–
(ВМХ)
Дубняк с липой
сложный будрокопытенневый
2Д3К2Лп+С+К+Вз
4–
(СЮЗ)
Сосняк разнотравноосоковый
6С3Кл+Лп+едЕ+едД
5–
(НЮЗ)
Сосняк щитовниковоосоковый
4С5Кл1Лп+Е+Б+Л
Почва
Профиль
S**
О+2 – A16 –
A1А215 **–
А2’(g)25 –
A2’’(g)34 –
A2”’42 – II
***
A2B55-IIB80IIBC120↓
39,7
Среднедерновая
глубокоподзолистая
легкосуглинистая почва
(подтип дерновоподзолистых почв типа
подзолистых почв)
О+2 – A14 –
A1A215 –
A2’31 – A2’’41
–IIA2B50 –
IIB1(t)(g)86–
IIB2120↓
32,1
Среднедерновая
глубокоподзолистая
легкосуглинистая почва
(подтип дерновоподзолистых почв типа
подзолистых почв)
О+2 – A14 –
A1A210 –
A2’(f)30 –
A2’’(f)c44 –
IIA2”’ (f)g 51 –
IIA2B62IIB190 –
IIB2(t)120↓
28,6
2*
Среднедерновая
глубокоподзолистая
поверхностно-слабоглееватая
2,3/45
легкосуглинистая почва
(подтип дерново-подзолистых
почв типа подзолистых почв)
2,9/50
2,2/60
Слабодерновая
глубокоподзолистая
поверхностно-оглеенная
2,0/75
легкосуглинистая почва
(подтип дерново-подзолистых
поверхностно-оглеенных
почв типа подзолистых почв)
Слабодерновая
глубокоподзолистая
поверхностно-оглеенная
1,7/80
легкосуглинистая почва
(подтип дерново-подзолистых
поверхностно-оглеенных
почв типа подзолистых почв)
От +4-5– A16 –
A1A2h(g)28 –
A2’’g41 –
IIA2’”(g)50 –
IIA2B(g) 58 –
IIB1(t)g 92 –
IIB2(t) 120↓
От+3-4 – A14 –
A1A2 h10 –
A2g27 –
A2’’g36 –
IIA2’”(g) 47 –
IIB1(t)g 80 –II
B2(t) g 120↓
31,7
35,3
2* - Коэффициент состояния древостоя / %сомкнутости крон.;
*–глубина нижней границы горизонтов минеральной части профиля,
S **– среднее значение высоты снежного покрова (2009-2015
*** – начало второго литологического наноса в пределах единого почвенного
гг.), см.
профиля.
11
Методы исследования. Общее количество исследованных образцов
почвы составило 135 образцов почв, 135 – проб снега и 45 образцов
напочвенной растительности. Результаты их анализа сопоставляются с
данными предыдущего цикла мониторинговых наблюдений (2009-2011гг.),
выполненных Б.В. Буриновой (2009-2011 гг.).
Содержание тяжелых металлов в почвенном, снежном и живом
напочвенном
покрове
определяли
методом
инверсионной
вольтамперометрии. Подвижные формы Zn, Cu, Cd в почвенных образцах
определялись в вытяжке аммонийно-ацетатного буфера при pH 4,6-4,8; Pb
– в 1 N растворе хлористого аммония. («Методические указания…» 1989;
ПНД Ф 16.1:2:2.2:2.3.46-06; ПНД Ф 14.1:2:4.69; Большаков и др., 1997;
Кахнович, 2002). Режимные наблюдения с мая по сентябрь (2012-2014 гг.)
проводились по общепринятым ГОСТированным методикам почвенных и
микробиологических исследований. Определение плотности и влажности
почв проводилось с помощью термостатно-весового метода (Вадюнина,
Корчагина, 1986; «Теория и методы…», 2007). Значения твердости
сложения и температуры почвы устанавливались прямым определением с
использованием электронного пенитрометра EIJIKEL KEMP P0601SASB и
портативного термометра HI 935005. Обменная кислотность (рН солевой
вытяжки почв) определялась потенциометрическим методом по ГОСТ
26423-85, содержание органического углерода – методом Тюрина в
модификации Никитина, гидролитическая кислотность по Каппену, сумма
поглощенных оснований по Каппену-Гильковицу (Минеев, 2001).Значения
суммарного показателя загрязнения почв (Zс) рассчитаны согласно
СанПиН 2.1.7.1287-03.
Для оценки транспортной нагрузки улицы Тимирязевская
осуществлялся
мониторинг
количества
различных
категорий
автотранспорта: грузовых, легковых, автобусов, на улице Тимирязевская в
выходные и рабочие дни, в четырех интервалах времени, по двум
направлениям.
Статистическая обработка производилась в пакете EXCEL-2010,
STATISTICA-8.0 (Дмитриев, 2009; Мешалкина, Самсонова, 2008).
ГЛАВА III Морфогенетические и функционально-экологические
особенности профилей основных вариантов дерново-подзолистых
почв ЛОД РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева
Сравнительный анализ химических показателей верхних горизонтов
дерново-подзолистых
почв
на
ключевых
участках
фонового
экологического мониторинга Лесной опытной дачи РГАУ-МСХА имени
К.А. Тимирязева выявил их значительную пространственную и временную
дифференциацию (табл. 2): от вершины небольшого моренного
приводораздельного холма к нижним частям его склонов СВ и ЮЗ
экспозиций (табл. 2).
Содержание органического углерода в 2011 году характеризуется его
12
значительным однонаправленным возрастанием по кaтeнe c ceвepо-воcтокa
нa юго-зaпaд: с 2,09% до 3,48 % (в 1,4 раза). В 2013 году в нижних частях
склонов северо-восточной и юго-западной экспозиций НСВ, СЮЗ и на
вершине моренного холма (ВМХ) (точки №№ 1, 5 и 3, соответственно)
выявлены более высокие значения содержаний органического углерода в
1,03 и 1,18 раз по сравнению с 2011, что может быть обусловлено
развитием дернового процесса почвообразования и активным разложением
листвы преобладающих лиственных пород на участке при образовании
органического вещества.
Тaблицa 2 – Cpaвнитeльный aнaлиз химичecких покaзaтeлeй вepхних
гоpизонтов А1–А1А2 (0-10cм) дepново-подзолиcтых почв ключeвых
учacтков ЛОД (n=9) (с использованием материалов Буриновой, 2011)
Кл.Уч.
1 – НCВ
2 – CCВ
3 – ВМХ
4 – CЮЗ
5 – НЮЗ
Год
2011
2013
2011
2013
2011
2013
2011
2013
2011
2013
C оpг.,%
М
2,09
2,41
2,62
2,16
2,68
3,15
2,98
2,24
3,48
3,35
σ
0,12
0,12
0,12
0,07
0,09
0,07
0,07
0,08
0,06
0,07
pНKCl
М
4,48
3,86
4,64
3,98
4,88
4,44
4,59
4,11
4,43
4,26
σ
0,06
0,08
0,07
0,07
0,08
0,06
0,14
0,06
0,07
0,06
Hг,
S,
мг-экв нa 100г мг-экв нa 100г
М
σ
М
Σ
8,26 0,11
2,52
0,08
21,53 0,09
7,88
0,06
7,25 0,14
1,45
0,07
21,43 0,12
6,93
0,06
6,94 0,07
1,69
0,11
21,24 0,12
7,35
0,08
7,29 0,50
2,14
0,06
22,14 0,09
7,74
0,06
7,61 0,16
5,10
0,05
22,37 0,13
8,40
0,06
V, %
М
23,32
31,33
16,63
21,52
19,50
28,32
22,51
29,45
40,10
47,83
σ
2,60
2,11
1,63
1,42
1,03
0,97
1,45
1,22
4,31
2,65
На ключевом участке №3 фонового экологического мониторинга –
вершина моренного холма (ВМХ) – с 2011 по 2013 гг. произошло
снижение значений рН с 4,9 до 4,4. Нижние части склонов северовосточной и юго-западной экспозиции (НСВ и СЮЗ, соответственно)
имеют наиболее «кислые» значения рН в 2011 и 2013 гг. по сравнению с
участком ВМХ: 4,5 – 3,9 и 4,4–4,3, соответственно. Для средних частей
склонов северо-востояной экспозиции (ССВ) и юго-западной (СЮЗ)
характерны промежуточные значения уровней кислотности (табл. 2).
Гидролитическая кислотность (Нг) характеризуется так же
пространственной и временной изменчивостью: от минимального значения
на вершине моренного холма (21,24 мг-экв нa 100г) с постепенным
увеличением при движении к нижним частям его склонов (22,37 мг-экв нa
100г на участке НЮЗ и 21,53 мг мг-экв нa 100г на участке НСВ). В 2013
году выявлены более высокие значения гидролитической кислотности,
насыщенности
почвенно-поглощающего
комплекса
основаниями,
содержания обменных оснований (табл. 2), что вероятно может быть
обусловлено подкислением почвенной среды.
13
Значения суммы поглощенных оснований (S) также подчеркивают
ранее выявленный тренд: минимальные значения отмечены на вершине
моренного холма (ВМХ) – 7,35 мг-экв нa 100г, которые возрастают при
движении вниз по склонам и достигают максимальных значений: 7,88 мгэкв нa 100г (на участке НСВ) и 8,40 (на участке НЮЗ).
В более ранних работах (Яpков, 1956; Кaуpичeв,1996; Зaйдeльмaн,
1998;Яшин,2010; Буринова, 2011) было показано, что элювиально-глеевый
процесс и подкисление взаимосвязаны между собой, что подтвердилось в
наших исследованиях: максимальные знaчeния гидpолитичecкой
киcлотноcти выявлены в почвaх нижних чacтей cклонов, где протекают
процессы оглeeния, что обуславливает выpaжeнную нeнacыщeнноcть
почвeнно-поглощaющeго комплeкca (ППК) основаниями иccлeдуeмых
гоpизонтов A1–А2, кaк cлeдcтвиe очeнь низкого cодepжaния в них
обмeнных оcновaний – оcобeнно в почвaх хоpошо пpомывaeмых позиций
(CCВ и НЮЗ).
В результате средневременных (2009 – 2014гг) мониторинговых
наблюдений за динамикой основных физико-химических параметров
исследованных вариантов дерново-подзолистых почв (температура,
влажность, плотноcть, твёpдоcть почв) показана их выраженная
пространственно-временная изменчивость (тaбл. 3): по элементам
мезорельефа, в течение вегетационного периода, а также в по годам
исследований.
После весеннего промачивания почв в начале вегетационного
периода (в мае) установлены наибольшие показатели влaжноcти (22,958,3%) и наименьшие – тeмпepaтуpы (7,1-13,8оC), что коррелирует с
низкой твердостью (125-255 Н/cм2) и плотноcтью (0,89-1,13 г/cм3) почв. В
ходе увеличения температур воздуха на протяжении вегетационного
периода (мaй-aвгуcт) верхние почвенные горизонты ключевых участков
фонового экологического мониторинга постепенно прогреваются в
среднем нa 15 оС. Увеличение температур сказывается на влажности,
которая плавно снижается до 7,2-22,9% (в 1,3-3,5 paзa). На фоне роста
температур воздуха и почвы, прогревания верхних почвенных горизонтов
и снижения показателей влажности почвы происходит возрастание
значений твердости (125-255 Н/cм2) и плотности (0,89-1,13 г/cм3) вплоть до
двухкратного.
В 2010 году в Моcковcком peгионе были отмечены aномaльно
выcокиe знaчeния тeмпepaтуpы воздухa, что сказалось на peжимном
cоcтоянии иccлeдуeмых почв. В aвгуcтe были зафиксированы критические
для почвенной биоты значения температур (22,6-25,2 оC) и влажности (7,49,9 %) верхних горизонтов почв. Наблюдалось peзкоe уплотнeниe, а также
повышeниe твёpдоcти почв в cpaвнeнии c 2009 годом. Нaиболee
выpовнeнным по количecтву оcaдков был период 2011-2014 гг., для
которого характерно минимaльное варьирование показателей сезонной
динамики исследованных параметров.
14
Таблица 3 – Сравнительная характеристика показателей мониторинговых
наблюдений за режимами почв ключевых участков ЛОД (май – август)
Ключевой
участок
1-НСВ
2-ССВ
3-ВМХ
4-СЮЗ
5-НЮЗ
Год
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2009
2010
2011
2012
2013
2014
Влажность, % Плотность, г/см3 Температура, оС Твердость, H/см2
Max Min M Max Min M Max Min M Max Min M
40,9 18,2 28,4 1,21 1,06 1,13 15,2 7,1 12,0 188 132 162
28,7 8,19 20,1 1,07 1,00 1,03 22,6 11,7 16,4 246 160 191
26,9 16,6 20,6 1,03 0,94 0,99 16,2 12,4 14,7 230 171 196
41,5 19,8 27,0 1,18 1,05 1,12 18,6 8,4 14,0 185 130 164
28,8 14,6 24,6 1,05 0,96 1,01 16,7 11,8 14,6 194 157 177
58,3 17,3 33,8 1,12 1,04 1,08 17,3 7,2 11,6 181 143 165
37,9 16,9 26,4 1,10 1,00 1,06 18,1 7,5 13,5 204 161 184
22,9 7,38 16,4 1,14 1,06 1,11 23,4 12,9 18,0 260 190 216
27,3 14,9 21,1 1,09 1,01 1,04 18,5 13,0 16,2 218 203 211
35,6 17,4 23,3 1,09 0,97 1,04 19,5 8,7 14,4 235 175 196
31,6 22,4 27,3 1,05 1,02 1,03 16,1 12,7 15,1 199 183 192
55,2 18,7 31,4 1,06 1,01 1,03 21,8 7,5 13,5 187 132 159
31,0 20,0 26,5 1,18 0,89 1,08 16,1 10,1 13,6 288 184 241
27,1 7,4 17,5 1,13 1,03 1,08 25,2 13,8 19,4 330 255 291
26,3 13,8 19,4 1,10 1,05 1,07 19,0 11,8 15,5 313 233 274
39,6 16,7 25,0 1,04 0,99 1,02 20,3 7,4 14,0 288 163 221
28,8 14,6 24,6 1,06 0,99 1,02 16,3 11,8 14,5 184 218 214
44,3 16,25 27,6 1,14 1,06 1,09 20,6 12,2 16,2 182 135 157
29,0 21,9 25,4 1,12 1,04 1,08 16,4 9,8 13,6 247 172 216
27,5 7,16 19,3 1,19 1,00 1,10 24,0 13,2 18,6 350 226 275
32,2 16,1 22,6 1,09 1,03 1,06 21,2 13,8 17,1 325 232 265
43,2 17,6 26,1 1,06 1,01 1,04 18,40 8,60 13,20 192 125 169
35,4 15,0 26,6 1,07 1,01 1,04 16,15 12,80 14,96 268 228 248
37,1 18,9 41,8 1,07 1,01 1,05 23,7 12,8 18,3 242 197 225
34,3 13,8 25,1 1,12 0,99 1,06 16,2 8,5 13,0 232 164 196
27,2 9,96 19,2 1,08 1,04 1,06 23,7 12,1 17,1 310 193 231
33,7 17,4 22,8 1,03 1,00 1,02 19,5 13,6 16,7 300 207 233
49,2 21,4 30,1 1,11 1,04 1,07 18,4 8,4 13,5 216 176 194
54,6 17,8 38,03 1,13 1,05 1,1 16,2 13,4 15,3 226 195 206
43,1 11,9 27,2 1,1 1,05 1,08 22,6 12,5 16,7 198 137 165
15
Глава IV Средневременная динамика содержания тяжелых металлов
в верхних горизонтах почв Лесной опытной дачи РГАУ-МСХА имени
К.А. Тимирязева
В центральной части лесного массива на фоновых ключевых
участках в период 2012-2014 гг. выявлено значительное пространственновременное варьирование запасов тяжелых металлов в верхних почвенных
горизонтах (A1-A2, мощностью 0-20 см) по основным элементам
мезорельефа: от минимумов на вершине небольшого моренного
приводораздельного холма к максимумам у его подножий (табл.4). На
склоне СВ экспозиции запасы Pb увеличиваются в 1,5-2, Сu – в 1,2-1,8, Zn
– в 1,1-1,4, Cd – в 0,2 -5,4 раза; на склоне ЮЗ экспозиции запасы Pb
увеличиваются в 2,0-3,5, Сu – в 1,1-1,9, Zn – в 1,1-1,5, Cd – в 3,9-8,6 раз.
Таблица 4 – Запасы тяжелых металлов в верхних горизонтах почв A1-A2
(мощностью 0-20 см) на ключевых участках в период с 2009 по 2014 гг.*
Год
2009
2010
2011
2012
2013
2014
М
±m
Год
2009
2010
2011
2012
2013
2014
М
±m
Pb, кг/га
НСВ ССВ ВМХ
42,2
30,9 20,1
59,2
62,6 29,9
66,1 112,9 35,4
77,3
49,2 46,0
96,5
79,1 54,1
92,4
75,8 49,5
68,3
66,9 37,1
9,1 13,9
56
Zn, кг/га
110,9 106,1 75,3
113,6 108,2 90,2
122,1 118,7 107,1
145,1 126,9 119,4
145,0 125,4 126,7
129, 8 112,1 111,8
127,3 117,1 103,7
7,5
4,3
9,4
Cu, кг/га
СЮЗ НЮЗ НСВ ССВ ВМХ СЮЗ НЮЗ
30,2 72,2 17,9 18,8 14,8 21,0 27,5
39,0 81,4 24,2 15,0 14,0 16,0 16,6
46,1 92,0 27,7 21,8 20,6 23,5 31,2
51,8 102,7 46,2 28,5 28,0 30,9 37,1
55,7 106,5 53,8 34,9 33,0 28,0 37,6
56,2 97,9 52,7 32,2 29,7 27,5 38,0
44,6 90,9 33,9 23,8 22,1 23,9 30,0
4,6
6,4
6,8
3,5
3,7
2,6
3,8
Cd, кг/га
82,8 117,1
90,2 99,6 0,14 0,10 0,06 0,22 0,30
140,7 157,9 0,16 0,14 0,08 0,33 0,43
166,1 180,5 0,27 0,1
0,05 0,19 0,27
157,5 177,7 0,27 0,13 0,07
0,2
0,3
136,6 159,1 0,26 0,14 0,08
0,2
0,3
127,5 146,6 0,2
0,1
0,1
0,2
0,3
17,2 16,3 0,03 0,01 0,01 0,03 0,03
*данные по валовому содержанию и запасам ТМ рассчитаны с использованием материалов Б.В. Буриновой за 20092011гг.
Для запасов ТМ в верхних горизонтах почв исследуемых тансект
«А» и «Б» также четко прослеживается тренд пространственно-временного
«разбавления» концентраций исследуемых элементов: наибольшие
значения в точках «0» м с увеличением расстояния постепенно
уменьшаются (на трансекте А в 3,0-9,0 раз; на трансекте Б– в 3,0-19,0 раз).
Наиболее резкое уменьшение запасов тяжелых металлов выявлено в точке
«15 м» (рис.3), в точке «50м» значения запасов ТМ трансект отличаются на
20-30% от данных ключевых участков ЛОД, в точке «100 м» данные по
запасам ТМ в верхних горизонтах почв сопоставимы со значениями
запасов ключевых участков фонового экологического мониторинга.
16
Трансекта «Б»
Cd,
мг/ кг
Zn,
мг/ кг
Cu,
мг/ кг
Pb,
мг/кг
Трансекта «А»
*данные по запасам ТМ рассчитаны с использованием материалов Б.В. Буриновой за 2009-2011гг.
Рисунок 3 – Запасы цинка и кадмия в верхних горизонтах (0-20 см) почв
трансект А «Светофор» и Б «Ложбина» (с 2009 по 2014гг.)*
17
Глава V Годичная динамика содержания тяжелых металлов в
напочвенной растительности Лесной опытной дачи РГАУ-МСХА
имени К.А. Тимирязева
Для изучения содержания и запасов тяжелых металлов в живом
напочвенном покрове были отобраны наиболее часто встречающиеся виды
травянистых растений, среди которых будра плющевидная (Glechóma
hederácea), копытень европейский (Asarum europaeum) и др.
На содержание тяжелых металлов в пробах напочвенного живого
покрова, взятых на фоновых ключевых участках экологического
мониторинга, существенное влияние оказывает мезорельеф и
количественные показатели биомассы растительности. Наименьшие
концентрации и запасы всех исследуемых тяжелых металлов выявлены в
напочвенном живом покрове ключевого участка №3 (ВМХ), которые
постепенно увеличиваются при движении от него к нижним частям
склонов СВ и ЮЗ экспозиции: в 1,1-1,2 и в 1,7-2,4, соответственно (табл.
5). По годам исследований отмечено увеличение запасов: Pb – в 1,5– 2,0;
Cu – в 1,3; Zn– в 1,2-1,4, Cd– в 1,2-4,3 раза.
Содержание, мг/кг
КУ**
Pb
Cu
Zn
Cd
1
2
3
4
5
1,51
1,34
1,21
1,63
1,82
6,91
3,02
2,54
4,01
7,11
50,5
38,1
35,2
48,1
60,1
0,09
0,04
0,03
0,06
0,10
1
2
3
4
5
3,92
3,27
0,86
3,91
3,82
7,0
5,03
3,03
6,07
9,12
54
68,4
55,2
53,1
70,7
0,02
0,17
0,015
0,019
0,10
1
2
3
4
5
3,87
3,31
0,89
3,89
3,85
7,05
5,08
3,07
6,11
9,15
53,9
68,4
55,4
53,1
70,7
0,03
0,17
0,02
0,02
0,12
***БМ,
кг/м2
Таблица 5 – Содержание (мг/ кг) и запасы (кг/ га) тяжелых металлов в
живом напочвенном покрове ключевых участков ЛОД (в расчете на сырую
массу) с 2011 по 2014 гг*.
2011
1,88
1,61
1,38
2,10
3,10
2013
1,48
1,35
1,26
2,10
3,00
2014
1,36
1,50
1,33
2,36
3,17
Запасы, кг/га * 100
Pb
Cu
Zn
Cd
2,84
2,15
1,67
3,42
5,64
13,0
4,85
3,51
8,41
22,0
95,1
61,1
48,7
101,0
186,1
0,17
0,06
0,04
0,13
0,31
5,8
4,4
1,1
8,2
11,6
10,4
6,8
3,8
12,7
27,4
79,9
92,3
69,6
111,5
212,1
0,03
0,2
0,02
0,04
0,3
5,26
4,97
1,18
9,18
12,20
9,58
7,62
4,08
14,42
29,01
73,4
102,65
73,68
125,39
224,20
0,04
0,26
0,02
0,05
0,38
*данные по валовому содержанию и запасам ТМ рассчитаны с использованием материалов Б.В. Буриновой за 2011гг .
**КУ- ключевые участки фонового экологического мониторинга на территории ЛОД: 1- НСВ; 2- ССВ; 3- ВМХ; 4- СЮЗ;5- НЮЗ
*** БМ, кг/ м2- Биомасса сырой напочвенной растительности, кг/м2
На техногенных трансектах А «Светофор» и Б «Ложбина» в образцах
живого напочвенного покрова (табл.7,8) выявлен тренд, похожий на тренд
18
почвенного пространственного распределения концентраций и запасов
тяжелых металлов: плавное уменьшение концентраций с удалением от
дороги (Pb – в 1,7-2,4, Cu и Zn – в 2,0, Cd – в 2,7 раза).
Содержание металлов в растительных пробах больше в точках
трансекты «А» (в 1,1-1,4 раза), характеризующейся преобладанием
аэрального поступления тяжелых металлов, из-за расположения вблизи
светофора. Однако, более высокие показатели запасов элементов, за
исключением точки «0 м», установлены на трансекте «Б», находящейся в
ложбине и характеризующейся дополнительным поверхностным стоком
поллютантов и большими показателями биомассы по сравнению с
трансектой «А» (табл.6,7).
Содержание, мг/кг
**R,м
Cu
Pb
Zn
1
2
3
4
5
14,3
12,4
10,8
9,38
7,90
4,12
2,71
2,38
2,04
1,78
104,2
90,6
68,2
52,1
51,1
1
2
3
4
5
19,6
14,8
13,5
11,5
9,8
6,18
4,53
4,08
2,64
1,33
109,3
93,5
74,3
56,1
53,1
1
2
3
4
5
19,67
14,83
13,52
11,54
9,83
6,23
4,55
4,15
2,78
1,85
109,6
93,56
74,4
56,2
54,8
Cd
БМ,
кг/м2
Таблица 6 – Содержание (мг/ кг) и запасы (кг/ га) тяжелых металлов
в живом напочвенном покрове трансекты А «Светофор» (2011 по 2014
гг.)*
Запасы, кг/га * 100
Cu
Трансекта А «светофор»
2011
0,21
1,35
19,3
0,16
0,89
11,1
0,14
1,40
15,1
0,12
1,60
15,0
0,08
1,79
14,2
2013
0,3
1,30
8,0
0,19
1,11
5,0
0,15
1,36
18,4
0,14
1,56
17,9
0,1
1,82
17,8
2014
0,33
1,28
25,17
0,21
1,15
17,05
0,18
1,38
18,66
0,18
1,50
17,31
0,11
1,75
17,2
Pb
Zn
Cd
5,57
2,42
3,34
3,27
3,20
140,9
80,8
95,6
83,6
91,8
0,28
0,14
0,20
0,19
0,14
25,5
16,4
6,4
4,8
1,8
142,1
103,8
101,0
87,5
96,6
0,4
0,2
0,2
0,2
0,2
7,97
5,23
6,22
4,87
2,55
142,1
103,8
101,0
87,5
96,6
0,42
0,24
0,25
0,27
0,19
*данные по валовому содержанию и запасам ТМ рассчитаны с использованием материалов Б.В. Буриновой за
2011гг.
**R,м- расстояние от техногенной трансекты; **БМ, кг/ м2- Биомасса сырой растительности, кг/м2
19
Содержание, мг/кг
**R,м
Cu
Pb
Zn
1
2
3
4
5
3,01
2,64
2,10
1,94
1,63
12,1
10,1
9,77
8,06
6,13
87,2
73,0
66,1
54,1
48,2
1
2
3
4
5
3,87
3,09
2,75
2,03
1,98
17,5
13,1
11,0
10,3
8,17
89,5
73,6
67,1
56,3
50,1
1
2
3
4
5
3,9
3,11
2,77
2,04
1,97
17,7
13,3
11,1
10,33
8,19
89,54
73,65
67,11
56,34
50,18
Cd
БМ,
кг/м2
Таблица 7 – Содержание (мг/ кг) и запасы (кг/ га) тяжелых металлов
в живом напочвенном покрове трансекты Б «Ложбина» (2011 по 2014 гг.)*
Запасы, кг/га * 100
Cu
Трансекта Б «Ложбина»
2011
0,18
1,41
4,23
0,16
1,34
3,54
0,15
1,72
3,61
0,10
1,90
3,69
0,07
2,01
3,27
2013
0,21
1,35
5,2
0,18
1,24
3,8
0,16
1,67
4,8
0,11
1,85
3,8
0,08
2,02
4,0
2014
0,24
1,36
5,3
0,19
1,29
4,0
0,16
1,74
4,8
0,11
1,93
3,94
0,1
2,1
4,14
Pb
Zn
Cd
17,0
13,5
16,8
15,3
12,3
122,6
97,8
113,7
102,8
96,8
0,25
0,21
0,26
0,19
0,14
23,6
16,2
18,3
19,1
16,5
120,8
91,3
112,1
104,2
101,2
0,3
0,2
0,3
0,2
0,2
24,1
17,16
19,32
19,94
17,2
121,77
95,01
116,77
108,74
105,38
0,33
0,25
0,28
0,21
0,21
*данные по валовому содержанию и запасам ТМ рассчитаны с использованием материалов Б.В. Буриновой за
2011гг. **R,м- расстояние от техногенной трансекты; **БМ, кг/ м2- Биомасса сырой растительности, кг/м2
Глава VI Пространственная изменчивость содержания тяжелых
металлов в снежном покрове Лесной опытной дачи РГАУ-МСХА имени
К.А. ТИМИРЯЗЕВА
В ходе исследований снежный покров рассматривался как
аккумулятор аэрозольных загрязняющих веществ, выпадающих из
атмосферного воздуха. Образцы снега отбирались перед снеготаянием
(21.03.2009; 14.03.2010; 21.03.2011; 25.03.2013; 17.02.2014), при
температуре не выше 0оС в дневное время суток. Учитывая даты залегания
устойчивого снежного покрова, его продолжительность на момент
пробоотбора составила 88, 97, 119, 127, 57 дней, соответственно, в сезоны
2009 – 2011 – 2013 – 2014 гг. Важно учесть, что среднее значение
мощности снежного покрова (в середине марта) в точке «0м» у дороги
составляло 25 см, а в точке «5м» – уже 42 см.
В центральной части лесного массива наблюдается ранее
выявленный тренд распределения тяжелых металлов: от минимальных
значений на вершине моренного приводораздельного холма, к
максимальным в нижних частях склонов: Pb – в 2,1-6,1, Cu – в 2,2-5,3, Zn –
7,3; в 3,4-5,2 раза (табл. 8).
20
Таблица 8 – Запасы тяжелых металлов в снегозапасе ключевых участков
фонового экологического мониторинга ЛОД в сезоны 2009 – 2011 – 2013 –
2014 гг. (период перед снеготаянием)
Год
2009
2010
2011
2013
2014
М
±m
Год
2009
2010
2011
2013
2014
М
±m
НСВ
45,1
38,9
48,9
73,9
54,4
52,2
13,4
18,8
15,6
20,0
70,1
49,1
34,7
23,9
Свинец (Pb), кг/га
ССВ ВМХ СЮЗ
25,0
18,9
34,3
22,3
16,8
32,7
28,4
23,6
48,2
55,6
55,6
80,4
41,6
41,6
60,0
34,68
31,3
51,1
13,9
16,7
19,8
Цинк (Zn), кг/га
6,93
4,26
6,60
5,95
3,15
4,94
80,00
5,78
8,46
54,5
51,4
51,4
38,7
36,3
33,7
22,8
20,2
21,0
22,4
22,3
2,7
НЮЗ
46,1
37,4
71,2
115,1
82,3
70,4
30,9
НСВ
3,92
3,30
5,20
10,9
8,3
6,3
3,2
17,2
13,8
20,7
70,9
50,5
34,6
25,00
0,42
0,33
0,57
0,6
0,6
0,5
0,1
Медь (Cu), кг/га
ССВ
ВМХ СЮЗ
2,31
1,48
1,98
1,70
1,50
2,28
3,40
2,28
3,76
6,8
5,5
7,4
4,9
5,0
7,4
3,8
3,2
4,6
2,1
1,9
2,7
Кадмий (Cd), кг/га
0,53
0,65
0,88
0,44
0,54
0,80
0,82
0,63
1,03
1,7
1,4
1,8
1,3
0,9
1,2
0,96
0,8
1,1
0,5
0,4
0,4
НЮЗ
5,88
3,00
7,14
11,3
9,1
7,3
3,2
0,98
0,84
1,28
1,9
1,3
1,3
0,4
*данные по запасам рассчитаны с использованием материалов Б.В. Буриновой за 20092011гг.
Максимальное накопление изучаемых тяжелых металлов в
ранневесеннем снегозапасе произошло в 2013 году (табл. 8): Pb в 1,3-1,80,
Cu – в 1,2-1,6, Zn – в 1,6-1,95, Cd – в 1,1-2,3 раза, а минимальное – в 2014
(табл.8), что объясняется разной длительностью залегания устойчивого
снежного покрова, при близких значениях модуля техногенной нагрузки
на территории ЛОД РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (Буринова,
2011; Васенев, 2014).
Распределение запасов тяжелых металлов в снежном покрове
техногенных трансект «А» и «Б» отражают ранее выявленные
закономерности их распределения в почвенном покрове (см. гл IV, рис.3):
наибольшие значения в точках «0» м с увеличением расстояния
постепенно уменьшаются.
Значения запасов ТМ в снежном покрове техногенных трансект «А»
и «Б» имеет сильное пространственное и временное варьирование: при
удалении от автодороги запасы ТМ уменьшаются: Pb – в 2,0-2,7, Cu – в
1,4-2,6, Zn – в 1,8-2,4, Cd – в 1,3 раза. Такая зависимость более ярко
прослеживается в случае трансекты А «Светофор». По данным
средневременных исследований отмечено увеличение запасов тяжелых
металлов: 2009→2010→2011→2013←2014 год. Ряд Pb < Cu < Zn < Cd
характеризуется увеличением запасов тяжелых металлов в снегозапасе, что
объясняется дифференциацией в значениях их мобильности (Ильин, 1997,
Соколов и др., 2008).
21
На расстоянии 5м от трансект выявлен пик распределения значений
запасов тяжелых металлов, после которого значения запасов уменьшаются
обусловлен дифференциацией средней мощности ранневесеннего
снежного покрова (2012 – 2013 гг. – 38,1 см, 2013 – 2014 гг. – 26,3 см.
ВЫВОДЫ
1. Проведенные исследования ключевых компонентов экосистем
(почва, растительности и снежный покров) в условиях характерного для
северной части Московского мегаполиса малоконтрастного мезорельефа
лесной рекреационной территории ЛОД РГАУ-МСХА имени К.А.
Тимирязева показали значительное варьирование содержания и запасов
тяжелых металлов как по годам исследований, так и по элементам рельефа:
от вершины небольшого приводораздельного моренного холма к нижним
частям его склонов, что является подтверждением того, что мезорельеф –
основной фактор их природной дифференциации в данных условиях.
2. Средневременная оценка содержания тяжелых металлов в
сопряженных образцах верхних горизонтов почв показала увеличение
валового содержания и запасов Pb, Cu, Zn при движении от вершины
небольшого приводораздельного моренного холма к нижним частям
склонов: 2-3,6; 0,8 – 2; 1,2-1,6 раза, соответственно. Различия по запасам
тяжелых металлов в верхних почвенных горизонтах возрастают по годам, а
также в ряду: Pb<Cu<Zn<Cd, что объясняется разницей в их мобильности.
3. Распределение подвижных форм трех из четырёх исследуемых
элементов: Pb, Cu, Zn характеризует тренд снижения их концентраций в
почвенных профилях ключевых участков фонового экологического
мониторинга Лесной опытной дачи РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева в
среднем от 2 до 5 раз. Наиболее четко заявленный тренд прослеживается
на вершине моренного холма. Основное накопление Сd, напротив,
происходит в иллювиальных горизонтах, где с увеличением глубины
концентрация подвижного кадмия возрастает от 2 до 5 раз.
4. Данные по содержанию и запасам тяжелых металлов в
сопряженных образцах верхних горизонтов почв (мощностью 0-20 см)
техногенных трансект в зоне влияния светофора («Светофор») и ложбины
поверхностного стока («Ложбина») от основного линейного источника
загрязнения отличаются значительной пространственно-временной
изменчивостью: уменьшением концентраций исследуемых поллютантов с
удалением от источников загрязнения и накоплением по годам
исследования. Тренды «уменьшения» и «накопления» наиболее четко
прослеживаются
на
трансекте
«Светофор»,
характеризующейся
доминированием аэрального поступления тяжелых металлов в почвы.
5. Анализ содержания и запасов тяжелых металлов в растительных
пробах фоновых участков экологического мониторинга подтвердил ранее
заявленные тренды увеличения содержания и запасов тяжелых металлов
по элементам мезорельефа и годам исследований. Для напочвенного
22
растительного покрова техногенных трансект характерно постепенное
снижение содержания исследуемых элементов по мере удаленности от
главного источника загрязнения – автодороги (Pb – в 1,80-2,3; Cu и Zn – в
2,0; Cd – в 2,6 раза). Содержание, и как следствие, запасы тяжелых
металлов в растительных пробах выше в зоне влияния светофора, несмотря
на то, что трансекта ложбины имеет более высокие значения биомассы
напочвенной растительности.
6. С увеличением содержания исследуемых тяжелых металлов в
сопряженных образцах верхних почвенных горизонтов (мощностью 0-20
см) прослеживается четкая обратная корреляция между коэффициентами
биологического поглощения (КБП) тяжелых металлов и их содержанием в
прикорневом слое почв: на изученных объектах наименьшие значения
КБП отмечены для свинца (0,02-0,16) и наибольшие – для цинка (КБП
0,51-1,15).
7. При анализе средневременной динамики содержания и запасов
тяжелых металлов в снежном покрове фоновых участков экологического
мониторинга, характеризующихся низкой антропогенной нагрузкой, был
установлен аналогичный почвенному покрову тренд в распределении
поллютантов: от минимума на вершине моренного холма до максимумов в
нижних частях склонов.
8. Наибольшие значения концентраций и запасов тяжелых металлов
в снежном покрове техногенных трансект выявлены непосредственно у
автодороги и постепенно уменьшаются по мере удаления от нее: наиболее
резкое снижение отмечается на расстоянии 15 м. Наиболее четко тренд
выражен в зоне влияния светофора с преобладанием аэрального пути
поступления поллютантов в снежный покров.
9. Определяемая мезорельефом и морфогенетическими различиями
почв пространственная дифференциация содержания тяжелых металлов на
фоновых участках экологического мониторинга, имеющих минимальное
антропогенное воздействие, определяет необходимость ее учета при
проведении экологического мониторинга на антропогенно измененных и в
различной степени урбанизированных территориях.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:
Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ:
1. Васенев И.И. Особенности пространственно- временной
изменчивости содержания и накопления тяжелых металлов в почвах и
растительном покрове в условиях лесной рекреационной территории / И.И.
Васенев, А.А. Авилова, Б.В. Багина // Плодородие. – М., 2015. – №2 (83).–
С. 44-49.
2. Авилова, А.А. Влияние неконтрастного мезорельефа на
содержание и запасы тяжелых металлов в базовых компонентах лесных
рекреационных экосистем ЛОД РГАУ – МСХА имени К.А. Тимирязева /
23
А.А.Авилова, И.И. Васенев, Б.В. Багина// АгроЭкоИнфо – 2015 – № 5 –
[Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://agroecoinfo.narod.ru/journal/
STATYI/2015/5/st 27.doc.
Статьи в журналах, сборниках трудов, материалах конференций:
3. Avilova, A. A. Assessment of the seasonal dynamic of heavy metals in
the basic components of forest ecosystems, the northern part of the Moscow
metropolis (Forest Experimental Dacha MAA named after K.A. Timiryazev) //
Международная научная конференция молодых ученых РГАУ-МСХА. –
Москва.-2013.-с.
4. Авилова, А.А. Экологическая оценка сезонной динамики тяжелых
металлов в базовых компонентах лесных экосистем северной части
Московского мегаполиса (на примере ЛОД РГАУ - МСХА имени К. А.
Тимирязева) // Материалы XVI Докучаевских молодежных чтений – СанктПетербург – 2013. – с.150-151.
5. Авилова, А.А. Анализ пространственно- временной изменчивости
содержания тяжелых металлов в почвах ЛОД РГАУ-МСХА имени К.А.
Тимирязева – Сборник тезисов Московских международных летних
экологических школ MOSES 2013 и 2014. – Москва. – 2013.-с .75-77.
6. Авилова, А.А. Особенности накопления и распространения
тяжелых металлов в почвах и растительном покрове ЛОД РГАУ - МСХА
имени К.А. Тимирязева // Сборник тезисов 18-й Международной Пущинской школы- конференции молодых ученых. – Пущино. – 2014. – с.402-403.
7. Авилова, А.А. Динамика подвижных и валовых форм тяжелых
металлов в системе «почва- растение» на примере экосистемы Лесной
опытной дачи РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева // А.А. Авилова //
Материалы XXII Международной научной конференции студентов,
аспирантов и молодых ученых: Секция Почвоведение; 13-17 апреля 2015г.,
Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова, факультет почвоведения: тезисы
докладов / сост. Л.А. Поздняков. – М.: МАКС Пресс, 2015. – с.100-101.
24