«Экологическая оценка годичной динамики тяжелых металлов в базовых компонентах лесных экосистем северной части Московского мегаполиса (на примере ЛОД РГАУ - МСХА имени К. А. Тимирязева) ...»

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»

ФГБУ ВО «Воронежский государственный

Ведущая организация:

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

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 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:

Мониторинговые наблюдения за годичной динамикой и 1.

поведением приоритетных представителей тяжёлых металлов (Cd, Pb, Zn, Cu) в верхних горизонтах подзолистых почв представительных ландшафтов Лесной опытной дачи (2012–2014).

Анализ содержания и запасов тяжёлых металлов в весеннем 2.

снегозапасе исследуемых экосистем, с оценкой модулей их техногенного поступления и закономерностей пространственной дифференциации.

Анализ содержания и запасов тяжёлых металлов в 3.

напочвенной растительности на представительных ключевых участках фонового экологического мониторинга и трансектах Лесной опытной дачи, идущих от основного линейного источника загрязнения к центру лесного массива.

Экологическая оценка годичной динамики и основных 4.

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

– 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).

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 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 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.

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

–  –  –

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.

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))

–  –  –

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 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.

–  –  –

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.

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 (22,9и 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 (7,4верхних 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.

Таблица 3 – Сравнительная характеристика показателей мониторинговых наблюдений за режимами почв ключевых участков ЛОД (май – август)

–  –  –

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.

–  –  –

*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.)* 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 (Glechma hedercea), 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.

–  –  –

1 1,51 6,91 50,5 0,09 1,88 2,84 13,0 95,1 0,17 2 1,34 3,02 38,1 0,04 1,61 2,15 4,85 61,1 0,06 3 1,21 2,54 35,2 0,03 1,38 1,67 3,51 48,7 0,04 4 1,63 4,01 48,1 0,06 2,10 3,42 8,41 101,0 0,13 5 1,82 7,11 60,1 0,10 3,10 5,64 22,0 186,1 0,31 1 3,92 7,0 54 0,02 1,48 5,8 10,4 79,9 0,03 2 3,27 5,03 68,4 0,17 1,35 4,4 6,8 92,3 0,2 3 0,86 3,03 55,2 0,015 1,26 1,1 3,8 69,6 0,02 4 3,91 6,07 53,1 0,019 2,10 8,2 12,7 111,5 0,04 5 3,82 9,12 70,7 0,10 3,00 11,6 27,4 212,1 0,3

–  –  –

На техногенных трансектах А «Светофор» и Б «Ложбина» в образцах живого напочвенного покрова (табл.7,8) выявлен тренд, похожий на тренд 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).

–  –  –

1 14,3 4,12 104,2 0,21 1,35 19,3 5,57 140,9 0,28 2 12,4 2,71 90,6 0,16 0,89 11,1 2,42 80,8 0,14 3 10,8 2,38 68,2 0,14 1,40 15,1 3,34 95,6 0,20 4 9,38 2,04 52,1 0,12 1,60 15,0 3,27 83,6 0,19 5 7,90 1,78 51,1 0,08 1,79 14,2 3,20 91,8 0,14 1 19,6 6,18 109,3 0,3 1,30 8,0 25,5 142,1 0,4 2 14,8 4,53 93,5 0,19 1,11 5,0 16,4 103,8 0,2 3 13,5 4,08 74,3 0,15 1,36 18,4 6,4 101,0 0,2 4 11,5 2,64 56,1 0,14 1,56 17,9 4,8 87,5 0,2 5 9,8 1,33 53,1 0,1 1,82 17,8 1,8 96,6 0,2

–  –  –

1 3,01 12,1 87,2 0,18 1,41 4,23 17,0 122,6 0,25 2 2,64 10,1 73,0 0,16 1,34 3,54 13,5 97,8 0,21 3 2,10 9,77 66,1 0,15 1,72 3,61 16,8 113,7 0,26 4 1,94 8,06 54,1 0,10 1,90 3,69 15,3 102,8 0,19 5 1,63 6,13 48,2 0,07 2,01 3,27 12,3 96,8 0,14 1 3,87 17,5 89,5 0,21 1,35 5,2 23,6 120,8 0,3 2 3,09 13,1 73,6 0,18 1,24 3,8 16,2 91,3 0,2 3 2,75 11,0 67,1 0,16 1,67 4,8 18,3 112,1 0,3 4 2,03 10,3 56,3 0,11 1,85 3,8 19,1 104,2 0,2 5 1,98 8,17 50,1 0,08 2,02 4,0 16,5 101,2 0,2

–  –  –

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).

–  –  –

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: PbCuZnCd, 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 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 / 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.