Biogeochemical characteristics of parks and public gardens in Rostov-on-Don

Full Text

Изучение распределения тяжелых металлов и мышьяка в почвах и растениях городских рекреационных зон (парков, скверов, лесопарков и др.) является неотъемлемой частью комплексных эколого-геохимических исследований урболандшафтов [1; 2]. Оценка эколого-геохимической ситуации в зелёных зонах важна также с позиции обеспечения оптимальных условий произрастания растений, сохранения рекреационного потенциала городских фитоценозов, поэтому эта тема привлекает внимание многих ученых и как отдельная научная проблема [3–7].

Подобного рода работы выполнялись и в Ростове-на-Дону [8–10]. Как правило, они охватывали территории не более чем трех парков, изучался узкий спектр элементов в небольшом количестве почвенных проб. Некоторые аспекты распределения и миграции тяжелых металлов в почвах парковых ландшафтов на представительном фактическом материале рассматривались нами ранее [11]. В настоящей работе наряду с изложением выявленных особенностей пространственного распределения тяжелых металлов (ТМ) и мышьяка в почвах парков рассматриваются еще и закономерности биогенной миграции и накопления металлов в листьях деревьев, а также временная динамика концентраций ТМ в почвах рекреационных ландшафтов.

Объекты и методы исследований

Зональным типом почв, развитых на территории Ростова-на-Дону, являются черноземы обыкновенные среднемощные малогумусные суглинистые карбонатные. Эти почвы относятся к Приазовско-Предкавказской почвенной провинции (Ж2_з) черноземов обыкновенных теплых кратковременно промерзающих южно-европейской фации. В настоящее время почвенный покров в пределах города полностью и глубоко преобразован, естественные почвы практически не сохранились.

На территории Ростова-на-Дону расположены 14 парков, 31 сквер, сады отсутствуют. Общая площадь объектов по состоянию на 2011 г. составляет 184,7 га, озелененная – 146, 24 га [12]. Городские парки, сады и скверы по структуре и видовому составу можно разделить на три группы. К первой относятся старые парки, сады и скверы, заложенные ещё в конце XIX – начале XX веков и подвергшиеся капитальной реконструкции в 1950-х гг.: МУ «Детский парк им. В. Черевичкина», сквер Строителей, парк ДГТУ им. Л.В. Красниченко, МУП ГКДЦ им. М. Горького, парк Островского, МУ Парк культуры и отдыха «1 Мая». Объекты второй группы заложены или реконструированы в 1960–1970-х гг. (ПКиО им. г. Плевен). Третья группа – новые парки – основанные в конце XX – начале XXI вв. (ПКиО «Дружба») [13]. Некоторые характеристики парков и скверов Ростова-на-Дону приведены в табл. 1.

В основу работы положены материалы эколого-геохимических исследований, проведенных в 2013 г. на территории девяти парков и включавших опробование верхнего почвенного горизонта и листьев робинии обыкновенной (Robinia pseudoakacia) – одного из наиболее распространенных деревьев Ростова-на-Дону, часто ошибочно называемого «белой акацией». Было отобрано 77 почвенных проб (в каждом парке – от 6 до 10) и 30 проб листьев робинии (по 3 пробы из каждого парка). Следует отметить, что парк им. г. Плевен разделен площадью и улицей с интенсивным транспортным потоком на два участка, Верхний и Нижний (Аллея роз), которые в дальнейшем рассматривались обособленно. В ходе проведенной в 2015 г. эколого-геохимической съемки Октябрьского района Ростова-на-Дону были изучены территории четырех парков. Таким образом, общее количество педогеохимических проб – 81.

Таблица 1 – Общая характеристика парков и скверов Ростова-на-Дону [по 12; 14]

В региональном лабораторном центре ОАО «Южгеология» в почве и золе листьев приближенно-количественным спектральным анализом определены концентрации 35 элементов, из которых для дальнейшего изучения распределения в почве выбраны Mn, Ni, V, Cu, Pb, Zn; в растениях – Mo, Mn, Ni, Cu, Pb, Zn. В испытательном лабораторном центре ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Ростовской области» почвенные пробы методом атомно-эмиссионной спектрометрии анализировались на содержание Cd, Hg, As.

Эколого-геохимическая оценка выполнялась на основе анализа коэффициента концентрации (К_с) отдельных элементов относительно их фоновых значений и коэффициента опасности (Кₒ) – кратности превышения ПДК (ОДК) отдельных элементов [15, с. 83; 16]. Для характеристики комплексного загрязнения применялся суммарный показатель загрязнения (СПЗ, Z_c), представляющий собой аддитивную сумму превышений концентраций отдельных элементов над единичным (фоновым) уровнем:

Z_c = Σ K_c – (n–1),

где К_с – коэффициент концентрации, n – число химических элементов, входящих в изучаемую ассоциацию [15, с. 38].

При Z_c, меньшем 16, категория загрязнения оценивается как допустимая; если Z_c лежит в диапазоне 16–32 – умеренно опасная; в диапазоне 32–128 – опасная; при Z_c, большем 128, категория загрязнения – чрезвычайно опасная [17].

Оценка степени загрязнения почв проводилась на основе санитарно-гигиенических нормативов – ПДК и ОДК химических элементов [18; 19]. В качестве геохимического фона приняты средние концентрации химических элементов в черноземах в пределах природных ландшафтов Ростовской области [20].

Для оценки интенсивности поглощения растениями химических элементов из почвы использовался коэффициент биологического поглощения Aₓ (КБП):

Aₓ = l / n,

где l – содержание элемента в золе растения, n – его концентрация в почве, на которой оно растет [21].

Способность растения к концентрации микроэлементов может быть выражена через показатель биогеохимической активности вида (БХА) [22], представляющий собой величину, образующуюся от сложения коэффициентов поглощения отдельных микроэлементов:

БХА = Σ Aₓ.

Результаты исследований

Распределение цинка отличается высокой контрастностью: в почвах различных рекреационных зон его содержание варьирует от 60 до 800 мг/кг (табл. 2). Наиболее высокие средние концентрации отмечены в почвах старых парков, находящихся в центре города: им. В. Черевичкина, 1 Мая, им. Н. Островского (табл. 3). Превышение содержаний Zn по отношению к ОДК зафиксировано в почвах восьми парков. Самый высокий Кₒ, равный 3,6, характерен для парка им. В. Черевичкина; наиболее обширной площадью загрязнения (шесть проб из восьми) отличается парк «1 Мая». Цинк – наиболее распространенный элемент-загрязнитель почв в парках, как, впрочем, и в других функциональных зонах и районах Ростова-на Дону [23–25].

Таблица 2 – Пределы колебаний концентраций химических элементов в почвах парков Ростова-на-Дону, мг/кг

Таблица 3 – Среднее содержание химических элементов в почвах парков Ростова-на-Дону, мг/кг

На высокие концентрации металла обращают внимание и другие ученые. Так, по данным О.А. Капраловой и С.И. Колесникова концентрации Zn выше регионального фона обнаружены во всех образцах парковых почв: парк им. г. Плевен – 92 мг/кг, «Дружба» – 100, им. Н. Островского – 434, парк ДГТУ им. Л.В. Красниченко – 437 мг/кг. Среднее содержание – 212,9 мг/кг [8]. В работе Е.В. Налета с соавторами приводятся следующие содержания металла: парк им. В. Черевичкина – 200, им. М. Горького – 219 мг/кг [9]. Е.О. Гудзенко, изучая состояние зеленых насаждений Ростова-на-Дону, установила, что концентрация Zn в почве скверов Дортмундский, Осенний и им. Первого пионерского слета составляет, соответственно, 145,5, 162,3 и 112,9 мг/кг [10]. При общей схожести концентраций обращает на себя внимание расхождение между данными по парку ДГТУ им. Л.В. Красниченко, что можно объяснить различиями во времени пробоотбора. Исследования О.А. Капраловой и С.И. Колесникова проводились до начавшейся в 2013 г. реконструкции парка [26], в ходе которой почвенный покров на многих участках был обновлен.

На территории пяти парков выявлено слабое (Кₒ = 1,3) загрязнение почв ванадием, концентрации которого достигают 200 мг/кг. В почвах вышеперечисленных скверов содержание элемента изменяется от 103,1 до 122,3 мг/кг [10]. Концентрации свинца изменяются от 10 до 200 мг/кг, причем тенденции пространственного распределения, выявленные для цинка, распространяются и на поведение свинца. Отличается лишь уровень и площадь загрязнения: максимальные концентрации превосходят санитарно-гигиенический норматив в 1,5 раза, загрязнение выявлено лишь в двух пробах.

Парковые почвы отличаются от почв прочих функциональных зон города высокими содержаниями меди. Максимальные ее концентрации на территории парка им. 8 Марта достигают 300 мг/кг, что в 2,6 раза выше ОДК. Медное загрязнение выявлено в восьми почвенных пробах на территории четырех парков. Возможно, высокие концентрации меди обусловлены применением медьсодержащих пестицидов (бордосской жидкости) при выращивании парковых культур.

Концентрации остальных элементов – кадмия, ртути, никеля, марганца – незначительно превышают региональный фон, но не достигают санитарно-гигиенических нормативов. Таким образом, почвы городских парков и скверов слабо загрязнены тяжелыми металлами. Наиболее широко распространено цинковое загрязнение (присутствует в 22% отобранных проб), далее медное (10%), затем ванадиевое (6%) и свинцовое (3%).

Полученные данные позволяют ранжировать парки по средней величине Z_c и выявить уровень комплексного загрязнения: парк ДГТУ им. Л.В. Красниченко (2,46) – «Дружба» (3,27) – им. К. Чуковского (3,47) – им. г. Плевен (Верхний) (3,71) – им. г. Плевен (Нижний) (4,51) – Пионерский (4,71) – им. 8 Марта (4,81) – им. М. Горького (4,97) – Строителей (5,21) – им. Октября (6,3) – им. Н. Островского (6,38) – «1 Мая» (6,83) – Комсомольский (9,25) – им. В. Черевичкина (9,47).

Выявляется четкая тенденция роста концентраций химических элементов в почвах старых парков. Низкие значения СПЗ характерны для парков, основанных в конце XX – начале XXI в. на окраинах города – им. г. Плевен и «Дружба». Следует отметить, что последний разбит на месте бывшего глиняного карьера и рассматривается как пример удачной рекультивации [27]. Для всех парков категория загрязнения почв оценена как допустимая, и лишь в одной пробе в пределах парка им. В. Черевичкина величина Z_c (17,66) соответствует умеренно-опасной категории.

В ходе ретроспективного анализа эколого-геохимической ситуации, основанного на сравнении с результатами эколого-геохимической съемки северо-западной части Ростова-на-Дону, проведенной в 1994 г. [28], выявлено снижение концентрации цинка. В 1994 г. его среднее содержание в почвах рекреационных ландшафтов составляло 284,1 мг/кг, при этом максимальная концентрация достигала 2000 мг/кг. Среднее содержание меди в парковых почвах за 20 лет выросло в 1,5 раза, ванадия – в 1,3 раза; концентрации остальных элементов практически не изменились.

Содержание цинка с течением времени резко снизилось и в листьях деревьев, хотя здесь необходимо учитывать возможные различия в способности тополя черного (Populus nigra) и робинии к биоаккумуляции. При вполне сопоставимых содержаниях никеля, молибдена, меди и свинца зола листьев тополя отличается высокими средними концентрациями цинка и марганца, превосходящими таковые в золе листьев робинии в 4,6 и 4,5 раза (табл. 4).

Таблица 4 – Содержание химических элементов в золе листьев деревьев, мг/кг

Определение коэффициентов биологического поглощения элемента и сопоставление их с градацией А.И. Перельмана показывает, что робиния в ростовских парках и скверах более интенсивно накапливает медь и молибден. А.И. Перельман относил эти элементы к группе среднего биологического захвата с Aₓ в диапазоне 0,1–1. В нашем случае происходит усиление биологического поглощения меди и молибдена, численно выражаемое КБП 1,44 и 1,78, и переход их в группу сильного биологического накопления. Подобная тенденция выявлена ранее для основных сельскохозяйственных культур Ростовской области [29].

Выводы

1. При сопоставлении средних концентраций металлов и мышьяка с естественным педогеохимическим фоном выявляется геохимическая ассоциация: Cu₂ˏ₅Zn₂ˏ₃Pb₁ˏ₈V₁ˏ₃Hg₁ˏ₃Ni₁ˏ₂Cd₁ˏ₂. В целом такой ряд характерен для почв всех урболандшафтов Ростова-на-Дону, но обычно первую позицию занимает цинк.
2. Выявлено слабо локальное загрязнение почв парков и скверов цинком, медью, ванадием и свинцом. Самым распространенным поллютантом является цинк, для него же характерно наибольшее превышение ОДК.
3. Загрязнение почвенного покрова рекреационных зон оценивается как допустимое; лишь в одной точке пробоотбора – умеренно опасное.
4. Временная динамика эколого-геохимической ситуации проявляется в снижении концентраций цинка при одновременном росте содержания меди и ванадия в почвах парковых ландшафтов.
5. Наблюдается усиление биологического поглощения листьями робинии меди и молибдена и переход их из группы среднего биологического захвата в группу сильного биологического накопления.

About the authors

Diana Yurievna Shishkina

Author for correspondence.
Email: diana@sfedu.ru

candidate of geographical sciences, associate professor of Geoecology and Applied Geochemistry Department

References

Supplementary files