АНАЛИЗ ВИДОВ ПРИБРЕЖНО-ВОДНЫХ РАСТЕНИЙ Г. ЕКАТЕРИНБУРГА ДЛЯ ФИТОРЕМИДИАЦИИ НА ПРИМЕРЕ ДОЖДЕВОГО САДА
АНАЛИЗ ВИДОВ ПРИБРЕЖНО-ВОДНЫХ РАСТЕНИЙ Г. ЕКАТЕРИНБУРГА ДЛЯ ФИТОРЕМИДИАЦИИ НА ПРИМЕРЕ ДОЖДЕВОГО САДА
Аннотация
Статья посвящена исследованию потенциала травянистых прибрежно-водных растений для фиторемедиации и для регулирования ливневыми потоками в урбанизированной среде и возможности вторичного использования очищенной воды для полива. В условиях риска затопления городских территорий в результате осадков, а также значительного антропогенного загрязнения применение травянистых прибрежно-водных растений становится актуальным решением для улучшения экологической обстановки в урбанизированной среде.
«Зеленые» технологии, подходящие для фиторемедиации, могут быть использованы не только для очистки загрязненных поверхностных ливневых вод, но и для формирования эстетического восприятия городской среды, что позволяет рассматривать прибрежно-водные растения как ценный природный компонент в современном городском ландшафтном дизайне. Дождевой (ливневый) сад, биоплато — это современные биоинженерные технологии, сочетающие в своих процессах функцию экологическую: выполняет фиторемедиацию и создает на территории устойчивые фитоценозы, а также аттрактивную составляющую городского ландшафтного дизайна. Технология дождевого сада проявляется в антропогенных флуктуациях, в непосредственном воздействии человека на акваторию посредством прибрежно-водных растений, используемых для очистки или аккумуляции излишнего объема воды. В этом случае ассортимент растений должен быть основан на местной прибрежно-водной флоре, адаптированной к специфическим климатическим условиям.
В рекомендуемый список прибрежно-водных растений для устройства дождевого сада на Среднем Урале должны быть включены зимостойкие устойчивые виды. Произрастающие в окрестностях г. Екатеринбурга уникальные прибрежно-водные растения создают возможности адаптации местной флоры для специфических задач фиторемедиации. Кроме того, предлагаемый ассортимент питомников декоративных травянистых видов растений, сортов для водоемов и прибрежной зоны способствует значительному расширению возможности по формированию растительного разнообразия и экологического равновесия в городской среде.
На основе собранных данных удалось выделить виды прибрежно-водных растений в г. Екатеринбурге для внедрения технологии дождевого сада: рекомендуется 26 видов прибрежно-водных растений, способных расти и развиваться в воде, водопокрытого грунта и в прибрежной зоне.
В статье подчеркивается необходимость мониторинга прибрежно-водных растений дождевых садов на Урале и дальнейших исследований их потенциала, эффективности их использования в контейнерах в различных экологических проектах. Широко распространенные и адаптированные к различным климатическим и почвенным условиям прибрежно-водные растения, обладающие высокой устойчивостью к условиям городской среды, могут быть универсальными с точки зрения применения их в разных регионах.
1. Введение
В условиях реализации новых стратегий территориально-пространственного развития городов необходим не только поиск новых проектных решений, но и внедрение инновационных технологий восстановления природных ресурсов для формирования устойчивой среды .
Как показано во многих отечественных исследованиях, на фоне возникающих экологических проблем, связанных с повышающимся уровнем загрязненности урбанизированной среды, в том числе от ливневых потоков, эффективным способом регулирования поверхностного стока, сохранения и восстановления биоразнообразия может выступать биоинженерное сооружение «дождевой сад» на основе технологии фиторемидиации , , , . Фиторемедиация представляет собой современную технологию применения растений для очистки окружающей среды от загрязняющих веществ, таких как тяжелые металлы, нефтепродукты и токсичные соединения . В условиях городской среды, где уровень отдельных видов загрязнений окружающей среды (согласно Государственного доклада Правительства Свердловской области «О состоянии окружающей среды на территории Свердловской области в 2023 году») значительно высок, использование декоративных водных растений для фиторемедиации становится не только экологически целесообразным, но и эстетически привлекательным ландшафтным решением в отношении проектирования водных объектов .
Дождевой сад рассматривается как альтернативная технология биодренажной системы и регулируемого отвода поверхностных вод, посредством их накопления, испарения, фильтрации через растительность, выдерживающую затопление , , . Комплекс природных компонентов (растительность, вода, песок, мульча и др.), обеспечивающих технологические процессы дождевого сада, способствует сохранению экологического баланса , и, кроме того, направлен на совершенствование мер городского управления, на «оптимизацию расходов городского бюджета на решение вопросов водоотведения, озеленения, полива» . Так, отфильтрованная, прошедшая систему био-очистки , вода может использоваться для полива городских зеленых насаждений. Система дождевого сада может состоять из одного или нескольких биоинженерных сооружений, может включать «каскады дождевых садов, реже водно-болотные угодья или задерживающие бассейны» .
Прибрежно-водные растения способствуют улучшению качества воздуха, стабилизируют почву, предотвращают ее эрозию , аккумулируют вредные вещества , , насыщают воду кислородом одновременно создают эстетически привлекательные озелененные пространства во взаимодействии водных компонентов среды.
В данной статье рассматривается возможность применения травянистых прибрежно-водных растений для фиторемедиации в г. Екатеринбурге, с учетом такой характеристики, как декоративность вида в условиях реализации ландшафтного дизайна водных объектов урбанизированной среды.
Целью работы является подбор ассортимента декоративных прибрежно-водных растений, подходящих для проектирования дождевого сада и применяемых в качестве природных фитофильтров.
В задачи исследования входит следующее:
– осуществить обзор прибрежно-водных растений, применяемых для фиторемедиации в городских условиях;
– выявить ассортимент декоративных прибрежно-водных растений с учетом их встречаемости в условиях Среднего Урала;
– выявить наиболее адаптивные и широко используемые виды, применяемые для целей фиторемедиации в городских условиях.
2. Методы и принципы исследования
Методы исследования основаны на сборе и анализе литературных данных по вопросам фиторемедиации в городской среде, наблюдений по распространению редких прибрежно-водных растений, а также анализе прибрежно-водных растений в питомниках. Все собранные данные систематизируются, исходя из возможности их применения при проектировании дождевого сада.
3. Основные результаты
Антропогенная деятельность является основным источником загрязнения окружающей среды металлами, загрязняющим как почву, так и водные объекты . В результате многолетнего мониторинга загрязнения почв г. Екатеринбурга тяжелыми металлами (такими как медь, свинец, цинк, кадмий, никель) характеризуется величиной суммарного индекса загрязнения Zс по разным районам от 10,1 до 6,8, что в целом оценивается как допустимый уровень загрязнения. Наиболее загрязненным являлся Октябрьский район .
Поступающие с атмосферными выбросами тяжелые металлы накапливаются в верхнем слое почвы, а также загрязняют поверхностные и грунтовые воды . Экологически безопасные биологические методы ремедиации почв и водных объектов становятся предметом интенсивных исследований в мировом научном сообществе. Фиторемедиация — один из таких методов, основанный на применении растений . Использование фиторемедиации для очистки почв и воды от тяжелых металлов особенно эффективно благодаря их поверхностной концентрации в верхних почвенных горизонтах и в водной толще. Ограниченное проникновение загрязнителей вглубь почвы и их относительно высокая концентрация в поверхностных слоях значительно упрощает процесс восстановления загрязненных земель и воды . В отличие от методов, основанных на применении химических реагентов, использование растений представляет собой экологически безопасный способ повышения мобильности тяжелых металлов, минуя риски дополнительного загрязнения окружающей среды , .
В г. Екатеринбурге влияние автотранспорта и промышленности приводит к высоким уровням загрязнения: основные загрязнители включают тяжелые металлы, такие как свинец и кадмий; загрязнители воздуха — углеводороды. Зимы холодные, что ограничивает возможности круглогодичного использования растений для фиторемедиации, особенно прибрежно-водных растений. Однако некоторые прибрежно-водные растения способны выдерживать местные суровые климатические условия, это — травянистые многолетники астрагал болотный, кувшинка чисто-белая и четырехгранная, кубышка малая и желтая, рдест красноватый . Наличие эндемичных, субэндемичных растений или близких к эндемикам свидетельствует об уникальности местной флоры и ее высоком потенциале для применения в экологических проектах. Среди эндемиков влажных мест для Урала отмечен гусиный лук Лиотарда или гусиный лук ненецкий (Gagea liotardii (Sternb.) Schult. & Schult. f. (семейство Liliaceae)) — луковичный травянистый многолетний, который может произрастать во влажных пойменных лугах, в сырых луговых ложбинах с выходами родников, на переувлажненных участках у подножия склонов речных долин» . Кроме того, эндемики Урала — ветреница уральская (Anemone uralensis Fisch. ex DC. (семейство Ranunculaceae)), и стержнекорневой полукустарничек лаготис уральский (Lagotis uralensis Schischk. (семейство Scrophulariaceae)), которые могут произрастать по берегам рек, во влажных местах .
Условия г. Екатеринбурга позволяют выращивать растения, устойчивые к умеренно низким температурам, например, такие как Аир болотный. Екатеринбург расположен в зоне морозостойкости 3–4, где средняя температура января — 14,7°C, могут отмечаться морозы до -40°C. Средняя за год сумма осадков 600 мм. Такие суровые условия ограничивают ассортимент прибрежно-водных растений, для устройства дождевого сада необходимы наиболее морозоустойчивые виды, например, Омежник водный, Рогоз узколистный, Сусак зонтичный. В результате анализа прибрежно-водных растений, условно рекомендуемых для устройства дождевого сада в условиях г. Екатеринбурга был составлен список видов, приведенный в Таблице 1.
Таблица 1 - Рекомендуемый список прибрежно-водных растений для устройства дождевых садов в Екатеринбурге
№ п/п
| Семейство | Вид | |
Латинское название | Русскоязычное название | ||
Экотип: Гидрофиты | |||
1 | Trapaceae Dumort. | Trapa natans L. | Рогульник плавающий |
2 | Ceratophyllaceae | Ceratophyllum demersum L. | Роголистник погружённый |
3 | Menyanthaceae | Nymphoides peltata (S.G. Gmel.) Kuntze | Болотноцветник щитолистный |
4 | Nymphaeaceae | Nuphar lutea (L.) Sm. | Кубышка жёлтая |
5 | Nuphar pumila (Timm) DC. | Кубышка малая | |
6 | Nymphaea tetragona Georgi | Кувшинка четырёхгранная | |
7 | Potamogetonaceae | Potamogeton rutilus Wolfg
| Рдест красноватый |
8 | Polygonaceae | Persicaria amphibia (L.) Delarbre | Горец земноводный |
Экотип: Гидрогелофиты | |||
9 | Sparganiaceae | Sparganium erectum L. | Ежеголовник прямой |
10 | Isoetaceae | Isoetes lacustris L | Полушник озёрный |
11 | Alismataceae | Alisma plantago-aquatica L. | Частуха подорожниковая |
12 | Sagittaria sagittifolia L. | Стрелолист обыкновенный | |
13 | Butomaceae | Butomus umbellatus L. | Сусак зонтичный |
14 | Cyperaceae | Schoenoplectus lacustris (L.) Palla | Схеноплектус озёрный |
15 | Typhaceae | Typha laxmannii Lepech. | Рогоз Лаксмана |
16 | Typha angustifolia L. | Рогоз узколистный | |
17 | Poaceae | Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud. | Тростник южный |
18 | Glyceria maxima (Hartm.) Holmb. | Манник большой | |
Экотип: Гигрогелофиты | |||
19 | Acoraceae | Acorus calamus L. | Аир болотный |
20 | Cyperaceae | Scirpus radicans Schkuhr | Камыш укореняющийся |
21 | Carex panicea L. | Осока просяная | |
22 | Scirpus sylvaticus L. | Камыш лесной | |
23 | Araceae | Calla palustris L. | Белокрыльник болотный |
24 | Menyanthaceae | Menyanthes trifoliata L. | Вахта трехлистная |
25 | Iridaceae | Iris pseudacorus L. | Ирис ложноаирный |
26 | Apiaceae | Oenanthe aquatica (L.) Poir. | Омежник водный |
Примечание: источники [15], [16], [17], [18], [19]
В основном ассортименте рекомендуемых для г. Екатеринбурга видов прибрежно-водных растений — всего 26 видов; представлены 17 семействами. По классификации В. Г. Папченкова представители экотипа «Гидрофиты» (настоящие водные растения) образуют фитоценозы на глубине 0,5…2,5 м. Гидрофиты включают 8 видов, среди которых свободно-плавающие в толще воды, погруженные укореняющиеся, укореняющиеся с плавающими листьями. Представители экотипа «Гидрогелофиты» (воздушно-водные растения) — 10 видов, как правило, образуют фитоценозы на глубине 1,0…1,2 м — высокотравные гелофиты; на глубине 0,5 м расположены низкотравные гелофиты. На глубине до 0,1 см расположены приземные гелофиты. Экотип «Гигрогелофиты» включает 8 видов. Представители этого типа занимают различные уровни береговой зоны .
В то же время в дополнительный ассортимент декоративных видов водных растений могут быть добавлены гибриды и сортовые растения: Кувшинка гибридная сорт «Colorado» (Nymphaea Luise Villemorette Х Nymphaea Mexicana «Colorado»); Кувшинка Марлиака сорт «Flammea» (Nymphaea × marliacea Lat.-Marl. «Flammea»); Кувшинка Марлиака сорт «Madame Wilfon Gonnere» (Nymphaea × marliacea Lat.-Marl. «Madame Wilfon Gonnere»); Кувшинка душистая сорт «Perry’s Double Yellow» (Nymphaea odorata Aiton «Perry’s Double Yellow») и др.
Из 26 видов прибрежно-водных растений, входящих в основной ассортимент, наиболее эффективную роль в аккумуляции вредных веществ проявляют аиры, ирисы, рогозы, роголистники, рдесты, частухи, в частности частуха подорожниковая и тростник .
Все перечисленные растения способны образовывать развитую мощную корневую систему и устойчивы к неблагоприятным факторам. Поэтому, некоторые из вышеперечисленных выше, в настоящее время используют при доочистке сточных вод.
Как отмечается в литературе чаще всего используют камыш, тростник озерный, рогоз узколистый и широколистый, рдест гребенчатый и курчавый, элодею, водный гиацинт (эйхорния), сусак, стрелолист обычный, гречиху земноводную, резуха морская, уруть для создания так называемых плавучих сконструированных водно-болотных угодий (Constructed floating wetlands — CFW). Именно такие конструкции рассматривают как промежуточную технологию очистки сточных вод, характеризующуюся признаками биологических прудов или водно-болотных угодий, где первостепенная роль отводится растительности. Доказано, что водная растительность очищает водоем от излишек органических соединений и нитратов. А камыш способен удалять из воды ряд органических соединений, в том числе фенолы, нафтолы, анилины .
4. Заключение
Анализ литературных данных показал, что прибрежно-водные растения из 7 семейств проявляют наиболее эффективную роль в аккумуляции вредных веществ. Руководствуясь основополагающим принципом сохранения природы и рационального природопользования, в настоящее время обеспечение экологической устойчивости при отведении и очистке ливневых вод целесообразно решать путем проектирования биоинженерных систем (дождевые сады на основе технологии фиторемидиации) без применения химических веществ очистки воды. В целом, меры направлены на предотвращение подтопления и затопления урбанизированных территорий.
Среди проанализированных травянистых прибрежно-водных растений выявлено значительное разнообразие растений, что свидетельствует о наличии богатого растительного покрова, способного эффективно участвовать в процессах фиторемедиации. Екатеринбург выделяется наличием эндемичных видов, что подчеркивает уникальность местной флоры и ее потенциал для использования в экологических проектах, при этом внедрение эндемичных видов возможно после проведения дополнительных исследований и наблюдений. Общее количество видов прибрежно-водных растений, рекомендуемых для г.Екатеринбурга — 26, указывает на возможность вариативного применения растений для решения экологических и эстетических задач в разных условиях. Растения, подходящие для фиторемедиации, могут быть использованы не только для очистки загрязненных территорий, но и для улучшения эстетического восприятия городской среды, что делает их ценными для ландшафтного дизайна в ландшафте города. Интеграция прибрежно-водных растений дождевых садов в городскую среду позволяет достичь баланса между историческим ландшафтом и благоустроенной современной городской средой, особенно вблизи набережных за счет природных компонентов. В целом, необходимы дальнейшие исследования по мониторингу и оценке эффективности подбора различных видов прибрежно-водных растений для процессов фиторемедиации, а также их адаптации к специфическим условиям на Среднем Урале, а также возможности их использования в контейнерах в различных экологических проектах.