Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ФОРМИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА РАСТЕНИЙ В ПРИРОДНЫХ И АНТРОПОГЕННЫХ УСЛОВИЯХ 7
1.1. Факторы формирования химического состава растений 7
1.2. Источники и механизмы поступления элементов в растения 9
1.3. Физиологическая роль и фитотоксичность химических элементов в растениях 17
1.4. Растения как биомониторы 21
1.5. Особенности минерального состава растений в естественных природных условиях 22
1.6. Особенности формирования химического состава растений в условиях загрязнения 24 ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 34
2.1. Природная характеристика района исследований 34
2.2. Промышленность и источники загрязнения 41
2.3. Характеристика площадок 42
2.4. Полевые методы исследования 52
2.5. Подготовка и химический анализ образцов 54
ГЛАВА 3. ЗОЛЬНЫЙ СОСТАВ РАСТЕНИЙ ЛОКАЛЬНОЙ ЗОНЫ 57
3.1. Видовые особенности зольного состава растений локальной зоны 59
3.2. Особенности зольного состава растений локальной зоны 65
3.3. Распределение зольных элементов в растениях по площадкам 81
3.4. Многолетняя динамика изменения зольного состава растений локальной зоны 99 ГЛАВА 4. МЕТАЛЛЫ-ЗАГРЯЗНИТЕЛИ В РАСТЕНИЯХ ЛОКАЛЬНОЙ ЗОНЫ 113
4.1. Видовые особенности содержания загрязняющих элементов в растениях локальной зоны 113
4.2. Современный уровень загрязнения растений локальной зоны 121
4.3. Распределение уровней элементов-загрязнителей в растениях по площадкам 128
4.4. Многолетняя динамика концентраций металлов-загрязнителей в растениях локальной зоны 135
4.5. Сравнительный анализ предыдущего и настоящего уровня загрязнения растений локальной зоны 142
ГЛАВА 5. АНАЛИЗ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ-ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ В СИСТЕМЕ
АТМОСФЕРА-РАСТЕНИЕ 145
5.1. Характеристика атмосферных выпадений 145
5.1.1. Основные катионы и анионы в атмосферных осадках 145
5.1.2. Содержание и распределение основных элементов-загрязнителей в снеге 149
5.1.3. Содержание и распределение основных элементов-загрязнителей в дожде 162
5.1.4. Годовые выпадения элементов-загрязнителей 166
5.2. Сравнительный анализ распределения элементов в атмосферных осадках и растениях 170
ГЛАВА 6. ПОВЕДЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ В СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ 190
6.1. Особенности почв локальной зоны как среды обитания корней растений 190
6.2. Сравнительный анализ распределения элементов питания в почвах и растениях 198
6.3. Сравнительный анализ распределения элементов-загрязнителей (никеля, меди, кадмия) в почвах и растениях 207
ВЫВОДЫ 221
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 222
- Источники и механизмы поступления элементов в растения
- Видовые особенности зольного состава растений локальной зоны
- Видовые особенности содержания загрязняющих элементов в растениях локальной зоны
Введение к работе
Природная среда в настоящее время находится под сильным влиянием антропогенного воздействия. Для природы Кольского Севера антропогенное воздействие усугубляется тем, что все ее компоненты очень уязвимы. Большая доля существующего загрязнения окружающей среды в регионе принадлежит предприятиям цветной металлургии, в том числе медно-никелевому комбинату «Североникель», который длительное время считался одним из наиболее крупных в мире источников выбросов SO2 и тяжелых металлов.
Длительное воздействие выбросов этого предприятия привело к серьезным нарушениям экосистем и высокой степени загрязнения основных компонентов окружающей среды (Крючков, Сыроид, 1979; Евдокимова и др., 1984; Карабань и др., 1985; Алексеев, Ярмишко, 1985; Лесные..., 1990; Лукина, Никонов, 1996; Черненькова, 2002; Кашулина, 2002; Баккал, Горшков, 2003; Копцик и др., 2004; Reimann et al., 1998; Salminen et al., 2004 и мн.др.).
Вследствие усовершенствования технологических процессов объем выбросов загрязняющих веществ от этого предприятия в последние два десятилетия существенно сократился. Снижение объемов пылегазовых выбросов способствовало уменьшению загрязнения атмосферы и улучшению состояния растений в окрестностях медно-никелевьгх комбинатов этой компании (Ганичева и др., 2004; Лукина и др., 2005; Лукина, Черненькова, 2008; Кашулина, Похилько, в печати). По данным космоснимков площади сильно поврежденных экосистем вокруг комбинатов «Печенганикель» и «Североникель» существенно снизились по сравнению с периодом наивысшего объема выбросов (Тутубалина, Шипигина, 2004; АМАР Assessment .., 2006). Вместе с тем, концентрации тяжелых металлов в почвах локальной зоны воздействия комбината «Североникель» к настоящему времени достигли экстремально высоких уровней (Кашулина, Салтан, 2007).
Снижение уровня загрязнения атмосферы при сохранении экстремально высоких уровней тяжелых металлов в почвах и других нарушений почв в настоящее время создают уникальные условия для роста растений локальной зоны воздействия комбината «Североникель». В этих условиях особый интерес представляет изучение особенностей формирования химического состава растений, что необходимо для выработки рекомендаций по оптимизации питания растений восстанавливающихся экосистем локальной зоны.
Изучение химического состава растений, как компонента окружающей среды, имеет множество других аспектов. В последнее время, в связи с загрязнением окружающей среды, особый интерес представляет изучение токсичных элементов в растениях (Adriano et al., 1997). Одним из ключевых моментов этой проблемы является определение естественного содержания элемента в растениях для определения предельно-допустимых концентраций и расчета критических нагрузок (Manninen, Huttunen, 1997).
Поскольку растения могут аккумулировать загрязняющие вещества, то их стали часто использовать для мониторинга загрязнения окружающей среды (Markert, 1992; Brown, Brumelis, 1996; McGrath, 1997, Riihling, Steinnes, 1998; Salminen et al, 2004). Способность некоторых растений накапливать в себе значительные количества загрязняющих элементов делает их перспективными для очистки почв (Adriano et al., 1997).
Изучение химического состава растений является одной из составных частей в комплексных биогеоценологических исследованиях (Программа и методика..., 1974; Манаков, 1970, 1972; Манаков, Никонов, 1981; Ушакова, 1997) и исследовании круговоротов и биогеохимических циклов отдельных элементов (Башкин, 2004). Уже несколько десятков лет химический состав растений используется в составе биогеохимических методов поисков рудных месторождений (Ковалевский, 1974; Раменская, 1974).
Диссертационная работа выполнялась в рамках региональной целевой программы «Охрана и гигиена окружающей среды и обеспечение экологической безопасности в Мурманской области» на 2002-2008 гг.
Источники и механизмы поступления элементов в растения
В атмосферу в результате природных и антропогенных процессов поступает огромное количество веществ в газообразном, растворенном и твердом виде. В нашей работе наибольший интерес представляют диоксид серы и тяжелые металлы техногенного происхождения, поэтому именно они будут рассматриваться ниже.
Из труб промышленных предприятий двуокись серы и сопутствующие загрязни гели попадают в нижние слои атмосферы и рассеиваются, разбавляясь потоками воздуха. Временное и пространственное распределение содержимого дымового факела зависит от многих причин, но прежде всего от метеорологической обстановки во время эмиссии и высоты труб источников загрязнения.
Из метеорологических факторов наиболее важны температурная стратификация атмосферы, определяющая вертикальное распространение загрязнителей, направление и скорость ветра, обусловливающие их горизонтальный перенос. Дисперсия факела на расстоянии до 20 км от источника загрязнения моделируется распределением Гаусса (Берлянд, 1975). Как правило, максимум SOT достигается у поверхности земли на расстоянии, равном 5-20-кратной высоте трубы. Эта закономерность нарушается при штилях, при наземных инверсиях и сверхадиабатических условиях атмосферы (Wippermann, 1981).
Одновременно с началом переноса в рассеивающем факеле промышленных выбросов происходят химические реакции. Так, двуокись серы окисляется до сульфатов. Выведение серы из атмосферы происходит двумя путями: сухим и мокрым, с осадками. Молекулы SO2 удаляются преимущественно посредством сухого выпадения, сульфаты преимущественно с осадками (Лесные..., 1990). Многие факты указывают на то, что растениям вообще (Лесные..., 1990; Смит, 1985; Рассеянные..., 2004 и др.) и деревьям в частности (Гудериан, 1979; Гельфенбуйм, Бояршинов, 2001; Федорова, Одинцова, 2005 и др.) приходится выступать в роли поглотителей, как газообразных соединений, так и пыли. Газообразные примеси переносятся из атмосферы на растительность совместным действием диффузии и воздушных потоков. При первом же контакте с растениями газы связываются ими, растворяются на внешней поверхности или усваиваются через устьица (Смит, 1985).
Проникновение молекул газа в лист определяется законами молекулярной диффузии (Барахтенова, 1995). Скорость этого процесса зависит как от концентрационного градиента SO2 между внешней и внутренней сторонами листа, так и от сопротивления тканей потоку газа. Определяющим в характере поглощения SO2 является сопротивление самого листа, которое включает сопротивление пограничного и кутикулярного слоев, а также сопротивление устьиц и тканей мезофилла. Факторы внешней среды (инсоляция, температура и влалшость воздуха и др.), видовые особенности (ксеро-, мезоморфность) структуры листа растений влияют на степень сопротивления устьиц потоку газа и, опосредованно, на уровень аккумуляции токсиканта.
Поведение тяжелых металлов в атмосфере зависит от физико-химического состояния самих металлов, поступивших в атмосферу и их дальнейших превращений в воздухе. Наиболее важным параметром является размер металлсодержащих частиц, поскольку именно он определяет время жизни металлов в атмосфере. Так, крупные частицы оседают вследствие гравитации непосредственно около источника. Аэрозольные частицы субмикронных размеров или газообразные соединения тяжелых металлов перемещаются на значительные расстояния, способствуя загрязнению не только промышленных, но и фоновых районов.
Важную роль помимо размеров металлсодержащих аэрозольных частиц играет степень растворимости тяжелых металлов, находящихся в атмосфере. При выпадении на подстилающую поверхность тяжелые металлы в подвижных, легкорастворимых формах активно мигрируют по почвенному профилю и быстро усваиваются организмами.
Значительное влияние на растения оказывают химические формы существования тяжелых металлов в атмосфере, поскольку они определяют токсичность и их растворимость в осадках. В основном тяжелые металлы поступают в атмосферу в виде оксидов или различных солей и их взаимодействие с окружающей средой начинается при их осаждении на поверхности земли, растительности.
Растения загрязняются в результате оседания из воздуха на листья и стебли металлосодержащих частиц. Різ всех органов растения, листья являются самыми чувствительными к действию атмосферных загрязнителей, поэтому лист представляет собой исключительно хороший индикатор для оценки влияния ряда атмосферных загрязнителей (Гудериан, 1979). Поглощение элементов ассимилирующими органами растений происходит двумя путями: неметаболическое проникрювение через кутикулу (основной путь фолиарного поглощения) и поглощение в результате метаболических процессов, которые ответственны за перенос ионов через плазматические мембраны и в протоплазму клеток (Кабата-Пендиас Пендиас, 1989).
Видовые особенности зольного состава растений локальной зоны
Химический состав растений является специфичным для каждого вида (Ильин, 1985; Ковалевский, 1991). Несмотря на угнетенное состояние, изученные растения локальной зоны сохранили многие черты видовых особенностей химического состава, свойственного этим растениям в природных условиях.
Как и в условиях Карелии (табл. 3.3), в локальной зоне (табл. 3.1) самая высокая зольность (4.6 - 9.3 %) характерна для листьев ивы. За ней следуют листья черники с зольностью от 4 до 4.9% и листья малоизученных травянистых болотных растений (осока и пушица) с зольностью от 3.2 до 4.6%. Самая низкая зольность свойственна хвое сосны (1.6-2.5%) и листьям брусники (2.2-3.2%).
В локальной зоне воздействия комбината «Североникель» сохранилось и распределение многих зольных элементов между видами растений. Листопадные древесные растения (береза и ива) показали (табл. 3.1), что они так же, как и в фоновых условиях (табл. 3.2-3.4) гораздо лучше обеспечивают себя главными элементами питания (S, Р, К, Са и Mg) по сравнению с хвойными деревьями. Природное преимущество ивы по содержанию S, К, Са и Mg относительно березы (табл. 3.2-3.4) еще более четко проявилось в локальной зоне воздействия (табл. 3.1). По содержанию фосфора, наоборот, листья березы в локальной зоне превосходят листья ивы. В то же время лиственные деревья лучше всех преуспевают, чтобы избежать накопления больших количеств балластных элементов: Si, Al, Fe и Na (табл. 3.1-3.4).
Хвоя сосны и ели и в локальной зоне, и в фоновых условиях характеризуется близкими между собой и гораздо более низкими концентрациями важных для питания растений элементов по сравнению с лиственными деревьями (табл. 3.1-3.4). По содержанию алюминия, серы PI кремния эти два вида растений, наоборот, существенно различаются между собой. Характерной особенностью ели является почти на порядок более высокое содержание кремния (табл. 3.1-3.4). Именно за счет кремния зольность хвои ели намного выше по сравнению с сосной. Кроме того, в хвое ели чуть более высокие концентрации магния и серы по сравнению с сосной (табл. 3.1-3.3). Сосна по содержанию этих элементов, а также кремнию, занимает самое последнее место среди всех изученных растений.
Три исследуемых кустарничка представляют одно семейство (Ericaceae), несмотря на это, их листья существенно отличаются друг от друга по химическому составу (табл. 3.1-3.4). По зольности и содержанию всех зольных элементов листья черники всегда богаче всех остальных кустарничков. Содержание марганца в листьях черники, как в природных условиях, так и в локальной зоне выше, чем во всех других таксонах растений. Брусника и вороника по различным элементам занимают разные позиции.
Многими исследователями (Reimann et al, 2001; Раменская, 1974) был отмечен тот факт, что благодаря более низкому положению кустарничков в экосистеме на их химический состав большое влияние оказывают минеральные почвенные частицы. В наших исследованиях кустарнички уступают вышерасположенным хвойным деревьям по содержанию А1 и Si, и только в листьях черники содержание Fe выше, чем в других растениях. Однако эта особенность не связана с привносом пылевых частиц, поскольку по другим геогенным элементам - Si и А1 черника также уступает хвойным деревьям. Кроме того, вороника, занимающая самое низкое положение в обследованных экосистемах (стелется по эродирующей почве), по концентрации геогенных элементов уступает большинству других видов растений (табл. 3.1). Таким образом, несмотря на интенсивную почвенную эрозию в локальной зоне воздействия, положение исследованных растений в вертикальной структуре экосистемы не оказывает влияния на распределение геогенных элементов в них. Распределение Si, Al и Fe в растениях и в природных условиях не определяется их положением относительно поверхности земли (табл. 3.2). Очевидно, что содержание геогенных элементов, также как и важных, для питания растений элементов активно регулируется самими растениями.
Травянистые болотные растения на Кольском полуострове слабо изучены. М.Л. Раменская (1974) приводит только единичные данные по зольности осоки и пушицы. Согласно ее данным, зольность осок составляет около 5%, зольность пушицы - 3-4%. По данным Манакова и Никонова (1981) зольность осок оценивалась 2.4-2.5%). Для территории Карелии P.M. Морозова (1991) показала, что осоки вместе с травянистыми растениями характеризуются высокой зольностью — от 4.2 до 8.6%. Преобладающим элементом болотных травянистых растений является кремний, который входит в состав фитолитарий, образующих кремневый скелет этих растений, благодаря которым листья высотой до 80-90 см сохраняют прямостоячее положение, несмотря на отсутствие одревесневших частей. Из других зольных элементов в листьях болотных трав содержится много кальция и калия, а также азота.
Видовые особенности содержания загрязняющих элементов в растениях локальной зоны
Концентрации Ni, Со, Cd и Zn в листьях кустарничков в фоновых условиях, как правило, ниже, чем в листьях/хвое древесных растений (табл. 4.2). Все три исследуемых кустарничка по большинству обсуждаемым здесь элементам занимают близкие в ряду позиции, особенно брусника и черника, принадлежащие к одному роду. В локальной зоне (табл. 4.3) по никелю и цинку кустарнички распределяются также как и в фоновых условиях (табл. 4.2). По меди в локальной зоне в ряду произошли существенные изменения: черника со второго места в фоновых условиях переместилась на 5-ое место. По кадмию вороника сместилась с последнего места на четвертое.
Если в фоновых условиях положение вида растений в ряду означает обеспечение элементом этого растения в соответствии с его физиологией, то в условиях высокого уровня загрязнения оно также отражает степень загрязнения окружающей среды. Перемещение вида растения в начало ряда в локальной зоне, по сравнению с фоновыми условиями означает, что этот вид растений менее успешно противостоит аккумуляции загрязняющих элементов в своих листьях/хвое. Например, сосна по отношению к меди и цинку, вороника по отношению к кадмию. В то время как сдвиг растения в конец ряда в локальной зоне, наоборот, означает, что этот вид растения обладает более высокой способностью избегать аккумуляции загрязняющих элементов в условиях высокого уровня загрязнения. Черника, например, обладает более высокой способностью ограничивать поступление меди в свои листья в условиях локальной зоны.
Вместе с приведенными рядами (табл. 4.2 и 4.3), распределение концентраций между видами растений в кумулятивных кривых (рис. 4.1, 4.2) также хорошо демонстрирует видовые особенности аккумуляции основных загрязнителей в локальной зоне. Наиболее высокие концентрации никеля, меди, кобальта и кадмия в локальной зоне обнаруживаются в листьях ивы. Опушениость листьев некоторых видов ивы может способствовать более эффективной аккумуляции пыли на их поверхности, однако зольный анализ (глава 3) показал, что зольность листьев ивы, наоборот, снижена в локальной зоне. Таким образом, накопление пыли за счет шероховатости листьев не может служить объяснением более высоких концентраций большинства загрязняющих элементов в ней. Вероятно, это связано с особенностями вида. Так, и в фоновых условиях ива характеризуется наиболее высокими концентрациями никеля, кобальта, меди и, особенно, кадмия. Листья березы по уровням этих элементов обычно занимают второе место после ивы. и только по содержанию цинка, как и в фоновых условиях, береза выходит на первое место.
Несмотря на то, что хвоя ели и сосны подвержена воздействию выбросов в течение двух лет (отбиралась хвоя второго года жизни), а не в течение одного вегетационного сезона как листья березы и ивы, концентрации металлов в их хвое ниже. По величине концентрации никеля, меди, кобальта и кадмия хвоя сосны в локальной зоне обычно следует за их содержанием в листьях березы с небольшим отличием. Концентрации никеля, меди, кобальта (максимальные концентрации) и кадмия в хвое ели в локальной зоне намного ниже по сравнению с сосной и даже кустарничками (рис. 4.1-4.2). В фоновых условиях уровни этих элементов в хвойных деревьях близки друг другу и намного ниже, чем в листьях ивы и березы (табл. 4.4).
Одним из объяснений наиболее низких концентраций анализируемых металлов в хвое ели может служить тот факт, что ель в локальной зоне представлена в основном на площадках с высоким уровнем естественного плодородия почв и хорошей обеспеченностью влагой. Таким образом, благоприятные почвенные условия способствуют лучшей защите ели от поступления загрязняющих элементов в ее хвою. Некоторыми исследователями на других площадках в окрестностях комбината «Североникель» (Черненькова, 2002) и других объектах (Tyler, 1972) также были отмечены более низкие концентрации никеля, меди и кадмия в хвое ели по сравнению с сосной и листьями кустарничков. Следовательно, низкие концентрации основных загрязняющих элементов в хвое ели в локальной зоне могут быть в значительной степени обусловлены генетическими особенностями этого вида.
Из кустарничков в локальной зоне вороника характеризуется наиболее высокими концентрациями никеля, меди, кобальта и кадмия. Это растение занимает самое низкое приземное положение (стелется по земле) и, возможно, вторичное загрязнение почвенной пылью с очень высокими концентрациями металлов оказывает влияние на высокие уровни загрязнения листьев этого растения. Однако только по содержанию кадмия было отмечено перемещение вороники в начало ряда для растений локальной зоны (табл. 4.3) по сравнению с фоновыми условиями (табл. 4.2). Следовательно, в локальной зоне вороника хуже остальных растений контролирует поступление этого элемента в свои листья. На отдельных площадках, где вороника особенно угнетена, по концентрации загрязняющих элементов она выходит на первое место, опережая все остальные виды растений (табл. 4.5).
