Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ ЭЛЕМЕНТОВ В УРБАНИЗИРОВАННЫХ ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Дегтярева Т.В. 1 Патюта М.Б. 2 Федюнина Д.Ю. 1
1 ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет»
2 ФГБУ Ставропольская межобластная ветеринарная лаборатория
Проведен анализ дифференциации концентраций свинца, кадмия, цинка и меди между почвенными горизонтами и ярусами древесной, травянистой и моховой растительности города Ставрополя в соответствии с функциональной структурой. Выявлено, что биогеохимическая специфика элементарных эколого-геохимических систем города проявляется в характерном типе вертикальной дифференциации концентраций элементов. Наиболее встречающимися типами распределения концентраций элементов в системе «почва—растения» являются почвенно-моховой, мохово-почвенный и почвенно-древесный. Самым представленным выявлен почвенно-моховой тип, характеризующийся сильным накоплением микроэлемента в почве и моховом покрове. Для элементарных эколого-геохимических систем с меньшей антропогенной нагрузкой (дачной и лесопарковой зон) характерна дифференциация в распределении концентраций элементов: почвенно-древесный и мохово-почвенный типы для свинца, мохово-древесный для цинка. Более интенсивная антропогенная нагрузка в промышленной и транспортной зоне города сглаживает биогеохимические различия в перераспределении концентраций элементов по почвенным и растительным ярусам.
биогеохимические исследования
эколого-геохимические системы
концентрации элементов
1. Глазовская М.А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов СССР. – М.: Высшая школа, 1988. – 328 с.
2. Добровольский В.В. Основы биогеохимии. – М.: Изд. центр «Академия», 2003. – 400 с.
3. Дегтярева Т.В., Титоренко В.А. Эколого-геохимические исследования урбанизированных экосистем города Ставрополя // Вестник Московского государственного областного университета. Серия «Естественные науки». № 5. 2011. – С. 44–48.
4. Дегтярева Т.В., Титоренко В.А. Накопление элементов растениями в соответствии с ландшафтно-функциональной структурой города Ставрополя // Фундаментальные исследования. Географические науки. 2014, № 9. С. 585–589.
5. Федюнина Д.Ю. Развитие учения о географической среде / Вестник Московского государственного областного университета. Серия «Естественные науки». – М.: МГОУ, 2012. — № 2. – 108 с.
6.Федюнина Д.Ю. Территориальная дифференциация и кадастр сред ландшафтов Ставропольского края / Современные наукоемкие технологии. — М.: Академия естествознания, 2006. № 7. — 126 с.
7. Шальнев В.А., Дегтярева Т.В. Географическая среда: спорные вопросы и пути их решения // Вестник Ставропольского государственного университета, № 74. 2011. — С. 145–154.
В настоящее время города - сложные территориальные геосистемы, являющиеся разновидностью культурно-техногенных ландшафтов [7]. Для них характерно наличие функциональных зон, формирующих специфическую среду жизни человека со сложной вертикальной и горизонтальной структурой [5, 6]. При этом значительное антропогенное воздействие в городах приводит к значительной техногенной геохимической трансформации качества среды жизни. Так как важнейшие средообразующие и средозащитные функции выполняются почвой и растительностью, то изучение вертикального перераспределения концентраций элементов в пространстве элементарных эколого-геохимических систем позволяет судить об интенсивности процессов техногенеза в городских территориях.

Целью исследования является выявление особенностей вертикального перераспределения концентраций элементов между почвенными и растительными компонентами в элементарных эколого-геохимических системах города Ставрополя.

Материал и методы исследования

Эколого-геохимическое исследование города Ставрополя включало в себя определение концентраций химических элементов в почвах и растениях в различных функциональных зонах города [3]. Среди растений были изучены представители различных жизненных форм и семейств: робиния ложноакация (как один из основных видов, использующихся в озеленении города), пырей ползучий Elytrigia repens (семейство Gramineas), а также мох Pleurosium  schreberi [4].  В функциональных зонах г. Ставрополя рассмотрено распределение элементов в верхнем почвенном горизонте (117 проб), моховом, травяном и древесном ярусах (102 пробы). Содержание микроэлементов (меди, цинка, свинца, кадмия) определялось методом вольт-амперометрического анализа. Пробы отбирались в пределах элементарных эколого-геохимических систем, которые выделяются единством почвы и растительного сообщества в пределах элементарной формы рельефа, с сохранением одних и тех же основных условий жизнедеятельности биоты [2].

Радиальная структура элементарных эколого-геохимических систем характеризуется рядом геохимических коэффициентов, используемых при рассмотрении вертикально взаимодействующих подсистем: горной породы, почвы, растений и др. [1]. В настоящей работе для анализа интенсивности вертикального перераспределения элементов в пространстве фаций общепринятые геохимические коэффициенты (радиальной дифференциации R, биологического поглощения Кб) используются под общим названием «коэффициент вертикальной миграции» (Вм). Для каждого фитояруса фаций коэффициент вертикальной миграции определяет интенсивность накопления и рассеивания элементов по отношению к среднему содержанию в почвах. Для почвенного яруса коэффициент вертикальной миграции определяет интенсивность накопления и рассеивания элементов по отношению к кларку горных пород.

Результаты исследования и их обсуждение

Распределение элементов по ярусам элементарных эколого-геохимических систем промышленной зоны города происходит по почвенно-моховому типу. Свинец характеризуется значительными концентрациями в верхнем почвенном горизонте и мхах (114 и 65,8 мг/кг соответственно) и более низкими значениями в древесном ярусе (45,2 мг/кг). Коэффициент вертикальной миграции максимальный для почвенного яруса Вм=7,1. Минимальное поглощение элемента происходит древесной и травянистой растительностью Вм=3,4-3,5. Выраженное накопление кадмия наблюдается в почве промышленных районов - до 16 мг/кг. Минимальное содержание элемента характерно для древесного яруса - 1,9 мг/кг. Набольшая интенсивность накопления кадмия отмечена для почвенного (Вм=53) и травяного (Вм=15,6) ярусов.

Повышенные концентрации меди приурочены к почвенным горизонтам - 114 мг/кг, по остальным ярусам распределение относительно равномерное (74-76 мг/кг). Медь более интенсивно накапливается моховым ярусом (Вм=5,1). Для травяного и древесного ярусов интенсивность концентрирования элемента относительно породы одинакова (Вм 4,6-4,8).  Коэффициент вертикальной миграции максимальный для мхов и древесной растительности. Распределение цинка также отличается накоплением в пределах почвенных горизонтов и мохового ярусов. Коэффициент вертикальной миграции цинка максимальный для почвенного яруса (Вм=2,3). Коэффициенты для остальных ярусов находятся в пределах 1,15-1,46.

Для разных ярусов вертикального пространства элементарных биоэкосистем промышленной зоны можно говорить о своеобразном характере накопления и рассеяния изучаемых элементов относительно почвообразующей породы. Почвенный ярус является зоной вовлечения (в порядке убывания) кадмия, свинца, меди, цинка. В травяном, моховом  и древесном ярусах ряд убывания интенсивности поглощения идентичен: кадмий>медь>свинец>цинк. Интенсивнее других элементов в миграционный оборот вовлекается кадмий.

В вертикальном профиле элементарных эколого-геохимических систем лесопарковой зоны города более распространенным является распределение элементов по мохово-почвенным ярусам, характерное для свинца и кадмия. Накопление свинца характеризуется его локализацией в пределах мохового (60,3 мг/кг) и почвенного (51,1 мг/кг) ярусов. Коэффициент вертикальной миграции максимальный для почв (3,2), для представителей травяного и древесного ярусов показатели такие коэффициенты сопоставимы - 0,4 и 0,6. Для кадмия характерна достаточно значительная концентрация в моховом ярусе и почвах лесопарковой зоны (3,3 и 2,9 мг/кг соответственно). Наименьшие содержания присущи древесному и травяному ярусам, которые c одинаковой интенсивностью поглощают элемент из почвы (Вм=0,48-0,5).  Коэффициенты вертикальной миграции максимальны для почвенного яруса: Вм=9,6.

Для меди наибольшие концентрации определены в древесной растительности (44,3 мг/кг), для травяного яруса отмечена наименьшая концентрация - 19,7 мг/кг. Коэффициент вертикальной миграции максимальный для почвенных горизонтов (1,4), незначительный для травянистой растительности и мхов - 0,46-0,63 соответственно. Вертикальная ярусность перераспределения концентраций меди происходит по древесно-почвенному типу.  Максимальные концентрации цинка характерны для мхов. Травы накапливают меньше всего - 15,1 мг/кг. Коэффициенты вертикальной миграции самые значительные в ярусе мхов - 1,34. По вертикальному перераспределению элемента в пространстве элементарных эколого-геохимических систем лесопарковой зоны цинк относится к мохово-древесному типу. В целом, в почвенном ярусе биоэкосистем лесопарковой зоны элементы образуют следующий ряд по убыванию интенсивности вертикальной миграции: кадмий>свинец>медь>цинк; в травяном: кадмий>медь>цинк, свинец; в древесном: цинк>медь> свинец>кадмий.

Вертикальная дифференциация содержания элементов в элементарных эколого-геохимических системах селитебной многоэтажной зоны характеризуется почвенно-моховым типом для большинства элементов. Свинец значительно концентрируется в почвенном ярусе (49 мг/кг), для остальных ярусов концентрации элемента примерно одинаковые (14,6-16,5 мг/кг). Коэффициент вертикальной миграции свинца имеет наибольшее значение в почве. Значительные концентрации кадмия сосредоточены также в почвенном горизонте - 4,1 мг/кг, травяной и древесный ярусы концентрируют его приблизительно в равной степени (0,4-0,7 мг/кг). Наибольшие концентрации цинка характерны для почв и мхов (46-39 мг/кг соответственно). Наименьшее содержание элемента в пределах древесного яруса. Коэффициент вертикальной миграции цинка максимальный в почвенном ярусе (Вм=1,3), минимальный в древесном (Вм=0,4). Перераспределение меди характеризуется наибольшим содержанием в почвенных горизонтах (43 мг/кг) и древесной растительности (25,7 мг/кг), поэтому вертикальная дифференциация меди происходит по почвенно-древесному типу. Травы и мхи накапливают элемент на одинаковом уровне (24,1-25,7 мг/кг). 

В элементарных эколого-геохимических системах селитебной коттеджной зоны вертикальная дифференциация содержания элементов аналогична распределению в селитебной многоэтажной зоне с преобладанием почвенно-мохового типа. Накопление свинца характерно для почвенного яруса (49 мг/кг), для трав и древесной растительности - до 22,5 и 19,0 мг/кг соответственно. Относительно породы идет накопление элемента в почвенных горизонтах (Вм=3,0). Миграционная активность свинца в фитоярусах невысокая, коэффициент вертикальной миграции не превышает 1. Минимальный коэффициент вертикальной миграции зафиксирован для яруса древесной растительности (0,38). Зона концентрации кадмия также наблюдается в  почвенном ярусе (3,7 мг/кг). Меньше всего кадмия содержит травянистая и древесная растительность (0,6 мг/кг). Максимальная интенсивность вертикальной миграции кадмия характерна для почв, в которых превышение содержания  относительно породы составило 12,3 раза.

Для меди и цинка максимальные уровни концентраций также приурочены к почвенным горизонтам (52,1 и 53 мг/кг соответственно).  Содержание меди в древесном ярусе более высокое (34,5 мг/кг), чем в травяном (22 мг/кг). Максимальные значения коэффициента вертикальной миграции меди характерны для почв (Вм=1,7). Наименьшие значения коэффициента определены для укоса трав (0,42). Концентрация цинка наиболее значительная в почве и мхах -  53  и 36,5 мг/кг соответственно. Древесная растительность поглощает его слабо, коэффициент миграции для древесной растительности и трав одинаково низкий - 0,29-0,41. Вертикальная ярусность перераспределения содержания меди происходит по почвенно-древесному типу, цинка - по почвенно-моховому.

Дифференциация концентраций элементов в эколого-геохимических системах селитебной коттеджной зоны отличается концентрированием в почвенных горизонтах кадмия, в моховом ярусе более интенсивно поглощаются цинк и медь, в травяном  на одном уровне идет биологический захват свинца, меди и цинка, в древесном интенсивнее других элементов поглощается медь.

В дачной зоне наибольшие концентрации свинца обнаружены во мхах (29,3 мг/кг), также относительное накопление его идет в почвенных горизонтах (17,3 мг/кг). В древесной и травянистой растительности концентрации элемента близки (11,0-12,3 мг/кг). Коэффициент вертикальной миграции превышает 1,0 для мохового и почвенного ярусов. Вертикальная  дифференциация свинца в дачной зоне происходит по мохово-почвенному  типу. Кадмий значительно накапливается в почвах (16,9 мг/кг) и древесном ярусе  (13,9мг/кг) дачной зоны, минимальное накопление происходит в укосе трав (3,9 мг/кг). Коэффициент вертикальной миграции наибольший для почвы (Вм=1,8). Травы, древесная растительность и мхи захватывают кадмий слабо (Вм=0,37-0,55). Вертикальное  перераспределение кадмия в дачной зоне происходит по почвенно-древесному типу.

Наибольшие концентрации меди приурочены к почвенному и древесному ярусам, т.е. медь в эколого-геохимических системах дачной зоны перераспределяется по почвенно-древесному типу. Вертикальная миграция меди характеризуется слабым поглощением элемента всеми фитоярусами (Вм=0,47-0,79). Распределение цинка, так же как и распределение меди, идет с большим накоплением в почвенных горизонтах и древесной растительности. Коэффициент вертикальной миграции элемента наибольший в древесном и моховом ярусах (0,82-0,78). Вертикальная дифференциация содержаний цинка относится также к почвенно-древесному типу.

Выводы

Проведенный анализ расположения наиболее высоких концентраций химических элементов по вертикальным ярусам элементарных эколого-геохимических систем города Ставрополя дал возможность выделить наиболее встречающиеся типы распределения концентраций элементов в системе «почва-растения»: почвенно-моховой, мохово-почвенный и почвенно-древесный. Самым представленным является почвенно-моховой тип, характеризующийся сильным накоплением микроэлемента в почве и моховом покрове. Для почвенно-древесного типа вертикального распределения концентраций тяжелых металлов отличительным признаком являются наиболее высокие концентрации в почвенных горизонтах и деревьях. Достаточно редко наблюдается почвенно-травяной тип с самым большим содержанием элемента в почве и газонных травах. Только для распределения цинка характерен мохово-древесный тип вертикальной дифференциации содержания элемента.

Для меди в элементарных эколого-геохимических системах селитебной, лесопарковой и дачной зон города характерен почвенно-древесный тип вертикальной дифференциации содержания элемента. В промышленной зоне тип вертикальной дифференциации содержания меди - почвенно-моховой. По этому же типу в селитебных и промышленной зонах  идет распределение свинца и цинка. При этом для элементарных эколого-геохимических систем с меньшей антропогенной нагрузкой (дачной и лесопарковой) характерна широкая дифференциация в распределении концентраций элементов:  почвенно-древесный и мохово-почвенный типы для свинца, мохово-древесный для цинка.

Особенностями биогеохимической специфики элементарных эколого-геохимических систем территории Ставрополя является определенный тип перераспределения концентраций химических элементов. При этом более сильное антропогенное воздействие в промышленных районах городской территории нивелирует различия в распределении концентраций элементов в системе «почва-растения».

Рецензенты:

Лысенко А.В., д.г.н., доцент, заведующий кафедрой физической географии и ландшафтоведения ИМЕН Северо-Кавказского федерального университета, г. Ставрополь;

Мишвелов Е.Г., д.г.н., профессор кафедры экологии и природопользования ИМЕН Северо-Кавказского федерального университета, г. Ставрополь.


Библиографическая ссылка

Дегтярева Т.В., Патюта М.Б., Федюнина Д.Ю. ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ ЭЛЕМЕНТОВ В УРБАНИЗИРОВАННЫХ ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1-2.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=20052 (дата обращения: 24.09.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074