Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Биологическая миграция элементов в лесных экосистемах в условиях атмосферного промышленного загрязнения (литературный обзор) 9
1.1. Первичная продуктивность лесных экосистем 9
1.1.1. Основные понятия 9
1.1.2. Зональные закономерности изменений продуктивности 11
1.2. Элементный состав растений 14
1.2.1. Основные факторы формирования элементного состава древесных растений бореальных лесов 15
1.2.2. Пути и механизмы поступления элементов в растения 17
1.2.3. Поглощение тяжелых металлов растениями 20
1.2.4. Физиологическая роль, дефицит и токсичность элементов в растениях 22
1.2.5. Фитоиндикация и фитомониторинг 25
1.3. Миграция элементов в лесных экосистемах 27
1.3.1. Атмосферная миграция 27
1.3.2. Внутрипочвенная миграция 30
1.3.3. Биологическая миграция 32
1.4. Биологическая миграция элементов в лесных экосистемах кольского полуострова 34
1.4.1. Влияние природных и антропогенных факторов 34
1.4.2. Сосновые леса 35
1.4.3. Еловые леса 43
ГЛАВА 2. Объекты и методы исследований 50
2.1. Природные условия кольского полуострова 50
2.1.1. Климат'. 50
2.1.2. Рельеф 51
2.1.3. Почвообразующие породы 51
2.1.4. Растительность 52
2.1.5. Почвы 54
2.2. Атмосферное загрязнение 55
2.3. Объекты исследований 57
2.4. Методы исследований 67
2.4.1. Полевые методы 67
2.4.2. Лабораторные методы 68
2.4.3. Статистические методы 68
ГЛАВА 3. Элементный состав растений 69
3.1. СОСНОВЫЕ ЛЕСА 70
3.1.1. Хвоя 70
3.1.2. Ветви 83
3.1.3. Кора 84
3.1.4. Древесина 85
3.1.5. Аккумуляция тяжелых металлов в биомассе сосны 87
3.2. Еловые леса 89
3.2.1. Хвоя 89
3.2.2. Ветви 101
3.2.3. Кора 102
3.2.4. Древесина 102
3.2.5. Аккумуляция тяжелых металлов в биомассе ели 103
3.3. Сравнительный анализ элементного состава сосны и ели 104
3.4. Динамика содержания поллютантов в хвое сосны и ели в лесных экосистемах окрестностей комбинатов 106
ГЛАВА 4. Распределение доступных для растений соединений тяжелых металлов в почвах 109
4.1. Подзолы сосновых лесов в окрестностях гмк «печенганикель» 110
4.1.1. Кислотность 110
4.1.2. Содержание углерода и азота 114
4.1.3. Содержание доступных для растений тяжелых металлов 118
4.1.4. Запасы доступных соединений тяжелых металлов в подзолах 128
4.2. Подзолы еловых лесов в окрестностях ГМК «Североникель» 131
4.2.1. Кислотность 131
4.2.2. Содержание углерода и азота 132
4.2.3. Содержание доступных для растений тяжелых металлов 133
4.1.1. Запасы доступных соединений тяжелых металлов в подзолах 136
4.3. Сравнительный анализ состояния подзолов сосновых и еловых лесов в зонах влияния комбинатов 138
ГЛАВА 5. Связь содержания тяжелых металлов в растениях и почвах 140
5.1. Обеспеченность элементами питания 140
5.2. Связь содержания тяжелых металлов в деревьях и в почвах сосновых и еловых лесов в условиях атмосферного загрязнения 141
5.5.1. Корреляционный анализ 142
5.5.1. Регрессионный анализ 147
5.3. Соотношение запасов тяжелых металлов в биомассе деревьев и в почвах
Сосновых и еловых лесов в условиях атмосферного загрязнения 154
Выводы 158
Литература
- Зональные закономерности изменений продуктивности
- Почвообразующие породы
- Аккумуляция тяжелых металлов в биомассе сосны
- Запасы доступных соединений тяжелых металлов в подзолах
Введение к работе
В последние десятилетия одним из основных дестабилизирующих факторов функционирования лесных экосистем является атмосферное промышленное загрязнение. Состояние лесных экосистем при этом в значительной степени определяется спецификой природных условий, в которых они формируются и функционируют. В этом отношении наиболее подвержены негативному влиянию экосистемы, расположенные в северных регионах, где экстремальные для древесных пород климатические условия усугубляют экологическую ситуацию.
Зональные северотаежные сосновые и еловые леса Кольской Субарктики характеризуются низкорослыми сильно разреженными древостоями и низкой продуктивностью. В дополнение к суровым климатическим условиям лесные экосистемы Кольского полуострова в течение 60 лет испытывают высокие атмосферные нагрузки загрязняющих веществ. Основные источники загрязнения - крупнейшие в северной Европе комбинаты медно-никелевого комплекса «Печенганикель» и «Североникель», преобладающими компонентами выбросов которых являются диоксид серы и тяжелые металлы.
Анализу влияния атмосферного промышленного загрязнения на бореальные лесные экосистемы посвящено много работ отечественных и зарубежных исследователей (Дончева, 1978; Смит, 1985; Крючков, 1988; Лесные экосистемы..., 1990; Кислотные осадки..., 1999; Hutchinson and Whitby, 1974; Leberslie and Steinnes, 1988 и др.). Оценки состояния лесных экосистем в зоне влияния комбинатов на Кольском полуострове в 1970-1990-х годах выявили значительные изменения в характере растительного покрова с приближением к источнику загрязнения: исчезновение лишайников, снижение доли мхов в напочвенном покрове, снижение общего проективного покрытия, обесцвечивание хвои, дефолиация, ухудшение состояния крон, гибель древесного яруса (Дончева, 1978; Крючков, 1988; Лесные экосистемы..., 1990; Воздействие металлургических производств..., 1995; Лукина, Никонов, 1996, 1998; Копцик и др., 1999, 2003, 2004, 2008; Кислотные осадки..., 1999; Кашулина, 2002; Черненькова, 2002; Щербенко и др., 2008; Koptsik et al., 2003). Существенную трансформацию претерпевает элементный состав как древесных растений — эдификаторов лесных экосистем, так и растений наземного яруса Нарушаются структура и функционирование микробных сообществ (Евдокимова, 1995).
Маломощные подзолы Кольского полуострова обладают высокой кислотностью, низкими запасами обменных оснований и емкостью катионного обмена (Переверзев, 2004) и отличаются низкой устойчивостью к атмосферным поллютантам (Копцик, 2004).
Промышленные выбросы приводят к нарушениям питательного режима почв вследствие 66
обеднения элементами питания, подкисления, аккумуляции и мобилизации тяжелых металлов (Лукина, Никонов, 1998; Копцик и др., 1999; 2004; Кислотные осадки..., 1999; Кашулина, 2002; Koptsik et aJ., 2003). Продолжительное систематическое действие атмосферного загрязнения ведет к нарушению биогеохимических циклов элементов и изменению состояния лесных экосистем (Лукина, Никонов, 1996; Копцик и др., 1999; Кашулина, 2002; Kashulina et al., 1997).
Несмотря на длительные исследования лесных экосистем Кольского полуострова количественная оценка их трансформации под воздействием атмосферного загрязнения далека от завершения. Большинство сведений по биологическому поглощению элементов ограничены ассимилирующими органами древесных растений (Воздействие металлургических производств..., 1995; Сыроид, 1997; Сухарева, 2004; Turunen, Huttunen, 1996; Ratio et al., 1998; Kozlov et al., 1999; Reimann et al., 2001; Rautio, Huttunen, 2003), хотя определяющую роль могут играть многолетние органы благодаря их большой биомассе. Данные по элементному составу многолетних органов, особенно древесины стволов, малочисленны (Лукина, Никонов, 1996; Копцик и др., 1999; Lindeberg, 2004; Saarela et al, 2005), а в условиях атмосферного загрязнения чрезвычайно редки (Лукина, Никонов, 1996; Копцик и др., 1999, 2008; Watmough, Hutchinson, 1996). В подавляющем большинстве работ в центре внимания находятся основные металлы-загрязнители (никель и медь), тогда как не меньшее значение могут иметь сопутствующие металлы, отличающиеся высокой токсичностью (кадмий, свинец). Особый интерес представляют не исследованные ранее потенциально токсичные мобильные соединения тяжелых металлов в ассимилирующих органах деревьев. Несмотря на традиционное внимание к системе «почва - растение» их взаимосвязь в лесных экосистемах, особенно в условиях атмосферного загрязнения, практически не изучена.
Актуальность работы определяется важной ролью биологического поглощения как звена биогеохимических циклов элементов в функционировании лесных экосистем. Стабильность биогеохимических циклов элементов является основной предпосылкой длительного существования лесов Севера (Родин, Базилевич, 1965; Карпачевский, 1977, 1981; Манаков, Никонов, 1981; Лукина, Никонов, 1996 и др.). Специфика биогеохимических циклов элементов в лесах Кольского Севера обусловлена, с одной стороны, экстремальными природными условиями, а с другой сторону — продолжительным и интенсивным действием техногенного фактора. Атмосферное промышленное загрязнение вызывает нарушения взаимосвязей компонентов внутри
экосистемы, что влечет за собой изменения закономерностей биологического поглощения элементов, их распределения в ассимилирующих и многолетних органах, функционирования и, в конечном итоге, деградацию экосистем.
Целью исследований является анализ поглощения элементов питания и тяжелых металлов ассимилирующими и многолетними органами сосны и ели в широком ряду экосистем сосновых и еловых лесов в зоне влияния атмосферных выбросов комбинатов «Печенганикель» и «Североникель» на Кольском полуострове. Проанализированы основные источники поступления тяжелых металлов и серы в растения, а также роль хвои и многолетних органов деревьев в диагностике загрязнения и накоплении поллютантов.
Задачи исследований:
Охарактеризовать природные особенности элементного состава ассимилирующих (хвоя) и многолетних (мелкие ветви, кора и древесина) органов сосны и ели на Кольском полуострове.
Выявить закономерности техногенной трансформации содержания макроэлементов (N, S, К, Mg, Са) и тяжелых металлов (Ni, Си, Cd, Pb, Zn) в ассимилирующих и многолетних органах сосны и ели.
Проанализировать аккумуляцию элементов питания и элементов-загрязнителей в биомассе сосны и ели и ее изменение под воздействием загрязнения.
Оценить содержание и запасы доступных для растений соединений тяжелых металлов в подзолах по градиентам загрязнения.
Проанализировать связь содержания тяжелых металлов в ассимилирующих и многолетних органах сосны и ели с содержанием доступных соединений металлов в почвах.
Научная новизна. В настоящей работе впервые:
выявлено однотипное распределение элементов в хвое и многолетних органах сосны и ели и обогащение ели кальцием и цинком по сравнению с сосной в фоновых лесных экосистемах Кольского полуострова;
уточнены закономерности техногенной трансформации элементного состава ассимилирующих и многолетних органов сосны и ели, проявляющиеся в накоплении никеля, меди, кадмия, свинца и серы и потерях цинка, а также в обеднении хвои ели кальцием и магнием и обогащении калием и азотом;
вскрыт высокий вклад многолетних органов (ветвей, коры и древесины ствола) сосны и ели в аккумуляцию тяжелых металлов в условиях атмосферного загрязнения;
обнаружен рост содержания мобильных соединений тяжелых металлов при снижении их доли в хвое сосны и ели при загрязнении;
выявлена прямая значимая связь между содержанием тяжелых металлов в хвое и многолетних органах сосны и ели и корнеобитаемых горизонтах почв;
показано накопление никеля и меди биомассой сосны и ели при снижении вклада биомассы в аккумуляцию металлов в лесных экосистемах с ростом атмосферного загрязнения.
Практическая значимость. В работе охарактеризованы современные уровни содержания тяжелых металлов и серы в различных органах хвойных деревьев и почвах в зонах влияния комбинатов. Сравнение с данными начала 1990-х годов, относящимися к периоду максимальных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, позволяет ориентировочно проследить динамику содержания элементов-загрязнителей в растениях и почвах в условиях сокращения их атмосферных выпадений. Содержание тяжелых металлов в хвое и коре сосны и ели может служить индикатором атмосферного загрязнения лесных экосистем. Элементный состав деревьев может использоваться при моделировании поведения поллютантов и оценке их критических нагрузок в лесных экосистемах. Выявленная взаимосвязь содержания элементов в системе почва-растение может служить основой для анализа экологических рисков, оценки и коррекции питательного режима почв в целях восстановления лесов на техногенных пустошах.
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждены на: XI Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2004» (Москва 12-15 апреля 2004 г.); Международной научной конференции «Современные проблемы загрязнения почв» (Москва, 24-28 мая 2004 г.); XII Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2005» (Москва, 12-16 апреля 2005 г.); 7ой Международной конференции по кислотным осадкам «Acid Rain 2005» (Prague, Czech Republic, June 12-17, 2005); 10OM Конгрессе Хорватского общества почвоведения «Soil functions in the environment» (Sibenik, Croatia, June 14—17, 2006); Международной научно-практической конференции «Антропогенная динамика природной среды» (г. Пермь, Россия, 16-20 октября 2006 г.); Международной конференции «Soil and Wetland Ecotoxicology: SOWETOX 2007» (November 26-27, 2007, Barcelona, Spain). Результаты исследований доложены и обсуждены на заседании кафедры общего почвоведения факультета почвоведения МГУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ (3 статьи в соавторстве, 7 тезисов).
Благодарности. Выражаю огромную признательность своему научному руководителю Г.Н. Копцик за всестороннюю и неоценимую помощь в работе, за внимание и понимание, которые помогли мне преодолеть все трудности и завершить задуманное. Особые слова признательности сотрудникам кафедры общего почвоведения за отзывчивость и ценные рекомендации в процессе выполнения работы. Огромная благодарность всем сотрудникам Института проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН за помощь в проведении полевых и аналитических работ. Кроме того, данная работа была бы невозможна без постоянной поддержки и понимания моих родных и коллег по работе.
Диссертационная работа выполнена на кафедре общего почвоведения факультета почвоведения Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова в рамках приоритетного направления «Функционирование и эволюция почв в естественных и антропогенных ландшафтах» по теме «Устойчивость и антропогенная эволюция почв».
Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (02-04-49047, 05-04-48460, 08-04-01745) и Исследовательским обществом Нидерландов (NWO 047.014.002).
Зональные закономерности изменений продуктивности
Придавая исключительную роль показателям продуктивности, Н.И. Базилевич (1993) использовала их для оценки структуры и функций наземных экосистем.
Для характеристики структуры экосистем используют два критерия: запасы живой фитомассы и запасы мертвой массы, без учета гумуса и торфа.
Для оценки функционирования экосистем применяют три показателя: первичную продукцию; долю первичной продукции от общих запасов фитомассы; отношение мертвой органической массы к первичной продукции. Основные закономерности сводятся к следующим положениям: 1) изменение величины годичной продукции зональных экосистем описывается двухвершинной кривой; 2) для интразональных переувлажненных экосистем с севера на юг наблюдается непрерывное возрастание величины годичной продукции; 3) отношение мортмассы к годичной продукции (М/р) подчинена строгой закономерности, включая зональные и интразональные экосистемы; 4) наибольшие скорости оборота характеризуют экосистемы суббореального и субтропического поясов.
Максимальные величины М/р свойственны интразональным экосистемам полярного и бореального поясов, в частности верховым болотам. Несомненно, что наибольшее значение имеет показатель р, который закономерно изменяется в географическом аспекте.
В классификации круговорота элементов Н.И. Базилевич (1965) используется 6 признаков: 1) принадлежность биогеоценоза той или иной зональной единице; 2) показатели структуры фитомассы а) биомасса растений, б) годичный прирост, в) опад, г) истинный прирост, д) подстилка; 3) показатели интенсивности круговорота, устанавливаемые по отношению величины запаса подстилки к величине опада; 4) характер сочетаний химических элементов, потребляемых на построение годичного прироста или возвращаемых с годичным опадом; 5) величина средней зольности прироста - опада оценивается по средневзвешенному содержанию зольных элементов в 100 г прироста - опада (в %); 6) показатели емкости биологического круговорота оцениваются по величине ежегодно потребляемых на построение прироста (возвращаемых с опадом) зольных элементов и азота (в кг/га). Л.Е. Родин и Н.И. Базилевич (1965) отмечают некоторые общие закономерности. В тундрах биомасса возрастает от северных подзон (50 ц/га в арктических тундрах) к южным (280 ц/га в кустарничковых тундрах). Максимум накопления органического вещества наблюдается в лесных сообществах. Биомасса в ельниках северной тайги порядка 1000 ц/га, в широколиственных и субтропических лесах умеренного пояса — 3700-4100 ц/га. В хвойных лесах умеренного пояса ассимилирующая «зеленая» часть достигает 80-165 ц/га, или 5-8% биомассы, а в широколиственных лесах — 40-50 ц/га, или около 1% биомассы. Наоборот, доля многолетних надземных частей (древесина деревьев, подлеска и кустарничков) довольно устойчива — 70-77% биомассы при сильных колебаниях абсолютных величин. Абсолютные количества массы подземных органов (корней) в хвойных лесах умеренного пояса 200-600 ц/га, в лиственных лесах всех поясов — 820-960 и/га, относительная же доля корней в биомассе лесов различается сравнительно мало во всех поясах (18-26%). Прирост (ежегодно нарастающая масса листьев и травянистых органов, древесины и корней) хвойных и широколиственных лесов умеренного пояса составляет 45-130 ц/га.
Абсолютные величины опада (органическое вещество листьев и других однолетних органов, а также древесины отмерших в процессе естественного изреживания деревьев и кустарников, а также ежегодно отмирающих корней) в основном сопряжены с величинами прироста, будучи несколько меньше их. Относительная величина опада от общего количества биомассы ельников северной тайги составляет около 4%.
В зависимости от величин прироста и опада, в лесах находится определенное количество органического вещества, удерживаемого в сообществе, т. е. истинный прирост. Крайние северные лесные сообщества обладают наименьшим истинным приростом.
Относительная величина опада от общего количества биомассы может служить показателем роли различных растительных сообществ как аккумуляторов вещества и энергии. В этом отношении первое место занимают лесные биогеоценозы умеренного пояса, которые в наибольшей мере удерживают созданное с помощью солнечной энергии органическое вещество (на опад дубравы расходуют только 1.5%, ельники южной и средней тайги — 1.6-2 %, ельники северной тайги — 4%).
Другой формой закрепления вещества и энергии являются мертвые органические остатки в виде лесной подстилки и степного войлока. Наибольшее количество подстилки — в кустарничковых тундрах (835 ц/га), далее идут сосняки южной тайги (450 ц/га), затем ельники средней, южной и северной тайги (450—350—300 ц/га соответственно) и за ними — широколиственные леса (150 ц/га). Накопление подстилки свидетельствуемо низком уровне процессов разложения органического вещества, т.е. об ослаблении интенсивности освобождения энергии.
Количество химических элементов в биомассе плакорных зональных сообществ в общем находится в прямой зависимости от величины биомассы. В соответствии с этим сумма химических элементов наибольших величин достигает в лесных сообществах: широколиственные леса умеренного пояса — 4000-5000 кг/га, хвойные леса умеренного пояса — 2000-000 кг/га, исключая сосняки и ельники северной тайги, где эта величина менее 1000 ц/га. Минимальное накопление химических элементов свойственно арктическим тундрам — 185-160 кг/га, и здесь основная масса сосредоточена в корнях.
Почвообразующие породы
На территории Кольского полуострова прослеживается хорошо выраженная широтная зональность растительного покрова. Выделяются две зоны — тундровая и таежная. Таежная, в свою очередь, делится на две подзоны — лесотундровую и северотаежную (Раменская, 1983). Здесь проявляется северный предел формирования лесных экосистем.
Территория Печенгского района относится к подзоне предтундровых редколесий. В исследуемом районе преобладают сосновые леса, представленные разными типами в зависимости от условий увлажнения. В автоморфных ландшафтах, на вершинах моренных холмов, камов, озов, при наименьшем увлажнении развиваются сосняки лишайниковые, вересковые, брусничные. В транзитных ландшафтах, на склонах, а также на моренных равнинах, преобладают сосняки зеленомошные и воронично-черничныс. В условиях повышенного увлажнения аккумулятивных ландшафтов формируются сосняки кустарничково-долгомошные.
Сосна, произрастающая на Кольском полуострове, по ряду признаков отличается от сосны обыкновенной {Pinus sylvestris) из других районов ареала. Это послужило основанием некоторым исследователям для выделения ее как формы сосны обыкновенной (P. sylvestris ssp .lapponica Fries) и даже как морфологически обособленного вида {P. fresiana Wichura) (Черепанов, 1995).
Основную площадь сосновых лесов занимают сосняки кустарничково-лишайниковые и лишайниково-кустарничковые. Зональные сосновые леса на северном пределе распространения характеризуются низкорослыми (10-12 м) сильно разреженными (сомкнутость крон 0.1-0.3) древостоями со значительным участием в них березы {Betula pubescens, Betula tortuosa, до 50%). Они отличаются низкой производительностью: средний класс бонитета V.5, запас древесины- 51м га" (Отчет..., 1995; Воздействие..., 1995; Копцик и др., 2004). Характерно отсутствие подлеска, господство кустарничков и лишайников в напочвенном покрове. Травяно-кустарничковый ярус небогат, в нем доминируют кустарнички {Vaccinium vitis-idaea, Vaccinium myrtillus, Vaccinium uliginosum, Empetrum nigrum, Ledum palustre). Роль трав невелика, чаще других встречается Deschampsia flexuosa. Моховой ярус выражен незначительно. В напочвенном покрове преобладают Cladonia stellaris, С. mitis, С. rangiferina, встречаются С. cornuta, С. crispate, Cladonia deformis, С. gracilis, С. uncialis и др.
Территория Мончегорского района входит в подзону северной тайги. Наиболее широко распространены ельники зеленомошной группы, которые формирует ель сибирская {Picea obovata) с хорошо развитым кустарничковым ярусом. Древостой ельников характеризуются небольшой сомкнутостыо (0.2-0.4) и малой производительностью (средний класс бонитета IY-Y, Воздействие..., 1995). В связи с небольшой сомкнутостыо древостоя имеется постоянная примесь березы {Betula pubescens, Betula tortuosa). Кроме древесного развиты еще три яруса: кустарниковый (выражен не всегда), травяно-кустарничковый и напочвенный, состоящий из мхов и лишайников. В травяно-кустарническом ярусе наряду с бореальньгми видами (черникой, брусникой) встречаются субарктические представители: голубика, дерен шведский, луговик извилистый, вороника, багульник. Среди мхов встречаются Hylocomium splendens, Pleurozium schreberi, Dicranum polysetum и в гораздо меньшем количестве другие виды. Лишайники представлены видами рода Cladonia (С. deformis, С. rangiferina, Cetraria islandica, Trapeliopsis granulosa) и некоторыми другими. На деревьях обильны эпифитные лишайники.
Основная площадь области относится к зоне хвойных таежных лесов, для которой характерен подзолообразовательный почвенный процесс и кислый тип коры выветривания, формирующийся в условиях влажного климата и сквозного промачивания (Перельман, 1961). В почвенном покрове автоморфных ландшафтов доминируют маломощные иллювиально-(гумусово)-железистые подзолы песчаного гранулометрического состава на сильно завалуненных несортированных моренных и сортированных гляциальных отложениях (Белов, Барановская, 1969; Никонов, 1987; Никонов, Переверзев, 1989; Переверзев, 2004, 2006).
Согласно классификации Почвенного института им. В.В. Докучаева (Классификация почв СССР, 1977) иллювиально-(гумусово)-железистые подзолы рассматриваются как роды в типе подзолистых почв, поскольку специфика их профиля, наряду с ведущим почвообразовательным процессом, обусловлена своеобразием почвообразующих пород. В.О. Таргульян (1971) выделял Al-Fe-гумусовые подзолы как почвы, формирующиеся в условиях гумидного климата на породах легкого гранулометрического состава разного генезиса со свободным внутренним дренажем. В Классификации почв России (2004) иллювиально-железистые и иллювиально-гумусовые подзолы выделяются на более высоком таксономическом уровне и относятся к подтипам в типе подзолов отдела альфегумусовых почв ствола постлитогенных почв.
Типичный набор основных генетических горизонтов, свойственных профилю подзолов, включает: О — Е - Bhf - ВС — С. Для этих почв характерны маломощность (карликовость) и однотипность строения минерального профиля, обязательная прикрытость его грубогумусным органогенным слоем (подстилкой), осветленность верхней части минеральной толщи и наличие иллювиированного органического вещества, концентрирующегося (по интенсивности окраски) непосредственно под осветленным (элювиальным) слоем.
Аккумуляция тяжелых металлов в биомассе сосны
Бореальные сосновые леса Кольского полуострова, формирующие северный предел распространения древесной растительности на границе лесотундры и северной тайги, характеризуются низкой биомассой и продуктивностью. Биомасса сосны, оцененная на основании измеренных таксационных показателей с помощью региональных регрессионных уравнений, не превышает 2.5-4.5 кг/м2 в фоновых ельниках и снижается до 0.8-1.5 кг/м2 с приближением к источнику загрязнения (рис. 3.13). Основной вклад в биомассу вносит древесина (64-80%), доля коры не превышает 10-12%. Доли хвои текущего и третьего года жизни и мелких ветвей в фоновых условиях составляют 4%, 11 и 10% и снижаются вследствие дефолиации с нарастанием загрязнения до 1, 3 и 7% соответственно. Низкая биомасса с экстремально высокой долей хвои и мелких ветвей и низкой долей коры свойственна молодому сосняку за пределами основной зоны загрязнения (34 км от комбината). Напротив, полновозрастный сосняк в зоне влияния комбината (16 км) отличается высокой биомассой и низкой долей хвои и мелких ветвей. Эти оценки согласуются с экспериментальными данными для фоновых (2.2-6.7 кг/м2) и загрязненных (1.3-1.4 кг/м ) районов полуострова (Лукина, Никонов, 1996).В сосновых лесах, удаленных от источника загрязнения, сосна накапливает около 8-9 мг/м никеля, 10 мг/м2 меди, 1-2 мг/м2 свинца, 0.4 мг/м2 кадмия и 50-80 мг/м2 цинка. Максимальное количество никеля аккумулировано в хвое (24-51%) и коре (28-44%), цинка - в хвое (26-43%) и древесине (24-50%), свинца - в коре (21-56%) и древесине (34-64%), кадмия - в древесине (39-45%). Медь более равномерно распределена между различными органами. Под воздействием техногенного загрязнения накопление никеля и меди в биомассе сосны возрастает (несмотря на снижение биомассы), а цинка — снижается (рис. 3.13). В загрязненных районах кора сосны аккумулирует наибольшее количество никеля (76-88%) и меди (77-93% от общего содержания металла в биомассе соответственно). Свинец, кадмий и цинк сравнительно равномерно распределены между многолетними органами. Поскольку в настоящей работе были проанализированы только мелкие ветви, общий вклад крупных и мелких ветвей в аккумуляцию металлов в биомассе сосны должен быть еще выше. Этот факт обычно не учитывается в балансовых расчетах, моделировании поведения и оценке критических нагрузок тяжелых металлов в лесных экосистемах.
Ель, произрастающая на исследуемой территории в соответствии с минеральным составом фотосинтезирующего аппарата, относится к низкозольным кали-кальцефилам. Проведенный анализ химического состава ели сибирской (Picea obovata), доминирующей в данном регионе, подтверждает общие закономерности распределения элементов характерные для данного вида.
Элементный состав хвои ели исследуемых экосистем ельников в условно фоновых районах (100, 101, 200 км) типичен для бореальных лесов и, наряду с азотом, калием и кальцием, характеризуется повышенным содержанием магния и серы по сравнению с другими органами (табл. 3.5, рис. 3.1-3.2).
Для выявления характера распределения элементов в хвое ели фоновых участков по мере старения ассимилирующих органов был проведен анализ образцов хвои разных возрастных классов, отобранных в ельнике кустарничково-зеленомошном на расстоянии около 100 км от источника загрязнения (рис. 3.14). Полученные данные показывают, что при старении в хвое ели снижается содержание подвижных элементов (азота, калия, магния) и увеличивается содержание малоподвижного кальция. Концентрация кальция возрастает с 3800 мг/кг в хвое текущего года жизни до 9800 мг/кг в хвое пятого года. Хвоя текущего года характеризуется преимущественным накоплением К (8000 мг/кг).
Максимальные концентрации Ni (8 мг/кг), Си (3 мг/кг) и Zn (22 мг/кг) также отмечены в хвое текущего года, при этом распределение никеля и меди по другим возрастным классам равномерное, а для цинка, важного микроэлемента, видна тенденция к снижению концентрации с возрастом до 14 мг/кг. Характер распределения серы в хвое ели по возрастным фракциям сходен с распределением малоподвижных элементов, в хвое текущего года ее содержание составляет 890 мг/кг, а в хвое пятого года жизни — 1150 мг/кг. Равномерное распределение по возрастным классам хвои характерно для кадмия (0.1-0.2 мг/кг). С возрастом хвои отмечается тренд уменьшения содержания свинца с 0.8-1.0 мг/кг в хвое первых годов жизни до 0.7 мг/кг в хвое пятого года, при этом содержание свинца в хвое текущего года также составляет 0.7 мг/кг. Близкие закономерности изменения элементного состава хвои ели с возрастом отмечены и другими исследователями (Лукина, Никонов, 1996; Сухарева, 2004). Некоторые расхождения в поведении тяжелых металлов при старении хвои могут быть обусловлены метеорологическими особенностями разных лет наблюдений.
На фоне сохранения характера распределения основных элементов питания в органах ели под влиянием техногенного загрязнения хвоя интенсивно обедняется кальцием и магнием (табл. 3.7, рис. 3.15). Так, если в хвое текущего года жизни на фоновых участках содержится 3800 мг/кг кальция и 1100 мг/кг магния, то в хвое этого же года на загрязненной территории содержится 2100 мг/кг и 680 мг/кг соответственно. Причиной снижения интенсивности поглощения этих элементов елью может быть селективное выщелачивание их из почвы под действием атмосферных выпадений кислотообразующих агентов, входящих в состав выбросов комбината. Также снижение концентраций кальция и магния в хвое может происходить по причине их выщелачивания из кроны деревьев под действием более кислых осадков, что особенно вероятно для старой хвои, кутикула которой существенно нарушена в данных условиях (Turanen et. al., 1992; Manninen, Huttunen, 1995).
Наряду с уменьшением концентрации таких элементов-биофилов как кальций и магний, отмечается обогащение хвои ели калием на загрязненных территориях. Так, содержание К в хвое текущего года в фоновых районах составляет 5450-8000 мг/кг, а в загрязненных - 8260-8700 мг/кг (табл. 3.7, рис. 3.15). В хвое третьего года содержание К составляет 2970-4770 мг/кг в фоновых и 4330-5050 мг/кг в загрязненных районах. Вероятно, это связано с сокращением срока жизни хвои ели от 5-6 лет в фоновых до 2-3 лет в загрязненных районах. Активное поглощение из почвы и реутилизация из более старых органов обусловливают повышенное содержание подвижных элементов в молодой хвое загрязненных районов. Несмотря на интенсивный опад, растения, вероятно, еще сохраняют способность регулировать отток наиболее подвижных элементов из хвои опадающей, в более молодую (Лукина, Никонов, 1998). Накоплению калия в хвое может способствовать одновременное увеличение доступности этого элемента в почвах вследствие вытеснения обменных оснований из ППК катионами поллютантов (Копцик и др., 1999), а также интенсификация выветривания в минеральных корнеобитаемых горизонтах почв (Лукина, Никонов, 1996).
Запасы доступных соединений тяжелых металлов в подзолах
Запасы доступных соединений свинца в мелкоземе 0.5 м слоя почв варьируют от 30 до 60 мг/м , увеличиваясь до 75-170 мг/м лишь вблизи комбината (табл. 4.5, рис. 4.10). Максимальными запасами свинца обладают минеральные горизонты подзолов. Вклад подстилки не превышает 3-11%, достигая 20% лишь в единственном случае, когда участок был расположен недалеко от дороги.
Кадмий накапливается в почвах в минимальных количествах. Его запасы в мелкоземе 0.5 м слоя почв обычно не превышают 3 мг/м и достигают 6-8 мг/м лишь в сильнозагрязненньгх почвах вблизи комбината (табл. 4.5, рис. 4.10). Вклад подстилки сильно варьирует, изменяясь от 33 до 76% независимо от местоположения участка.
Общие запасы доступных соединений цинка варьируют в пределах 210-540 мг/м2 в слое 0.5 м подзолов (табл. 4.5, рис. 4.10). Цинк содержится преимущественно в минеральных горизонтах подзолов, вклад подстилки изменяется от 5 до 46% и не зависит от расстояния до источника загрязнения.
Иллювиально-гумусовые подзолы под еловыми лесами характеризуются низкими значениями рН (табл. 4.1, рис. 4.1-4.2). При этом актуальная кислотность подстилок, характеризуемая рН водной суспензии (рНщо 4.0), не отличается от таковой подзолов сосновых лесов, тогда как доля обменной кислотности, частично отражаемой рН солевой суспензии (pHcaci2 3.25), немного выше. Минеральные горизонты подзолов еловых лесов на 0.1-0.2 единицы рН кислее по сравнению с сосновыми, однако, различия статистически незначимы. Высокая природная кислотность типична для таежных подзолов и обусловлена своеобразием функционирования бореальных лесных биогеоценозов и протекающих почвенных процессов (Белов, Барановская, 1969, Никонов, Переверзев, 1989; Переверзев, 2004,2006).
Исследования подзолов фоновых районов свидетельствует о закономерном уменьшении актуальной кислотности с глубиной: наибольшей кислотностью обладает подстилка, значение рНшо которой не превышает 4.0-4.1, значение рНнго подзолистого горизонта обычно выше, хотя иногда может быть и ниже, и варьирует в пределах 3.6-4.3, иллювиального горизонта — 4.3-5.6, почвообразующей породы — 5.1-5.3 единиц.
Четких закономерностей изменений значений рН почв по градиенту загрязнения в подзолах под еловыми лесами в зоне влияния комбината «Североникель» не выявлено. Однако подзолы техногенного елового редколесья отличаются повышенной кислотностью верхней части профиля по сравнению с фоновыми участками. Лизиметрические воды (Лукина, Никонов, 1996) и почвенные растворы (Копцик и др., 2007) этих подзолов, особенно в иллювиальном горизонте, также более кислые. Это свидетельствует о возможности локального техногенного подкисления почв в регионе. Кислотообразующие вещества, выпадающие из атмосферы, являются источниками протонов, в дополнение к присутствующим в почве органическим кислотам. Еще одной причиной увеличения кислотности подстилки можно считать интенсивный привнос растительного опада, поступающего на ее поверхность в результате дефолиации ели и отмирания зеленых мхов. Зона подкисления захватывает корнеобитаемую толщу, включая иллювиальный горизонт. Уменьшение актуальной кислотности нижних минеральных горизонтов в зоне активного влияния выбросов комбината (рНщо горизонта С подзолов техногенного редколесья и пустоши составляет 5.4-5.6) обусловлено, вероятно, спецификой состава почвообразующих пород, в которых увеличивается валовое содержание кальция и магния (Лукина, Никонов, 1996).
В целом, исследуемые подзолы и сосновых, и еловых лесов обладают высокой кислотностью. Значения рН их близки, хотя наблюдается тенденция их снижения в подзолах ельников по сравнению с сосняками (различия статистически незначимы). Подкисление подзолов под ельниками обусловлено, скорее всего, природными особенностями функционирования еловых экосистем, хотя не исключен и локальный вклад атмосферных кислотных выпадений.
Как и подзолам сосновых лесов, подзолам еловых лесов свойственно типичное аккумулятивно-элювиально-иллювиальное распределение органического вещества по профилю. Подстилка содержит в основном от 36 до 47% углерода (табл. 4.2, рис. 4.1). Содержание углерода в подзолистом горизонте 0.8-2.8%, в иллювиальном — 1.5-6.7%, в почвообразующей породе - 0.08-1.3%. Медианы составляют 41, 1, 2.8 и 0.4% соответственно. Содержание азота низкое. Высокое отношение C:N (рис. 4.3) также свидетельствуют о бедности органического вещества азотом. Подзолы под еловыми лесами более богаты органическим веществом по сравнению с подзолами под сосновыми лесами. Однако эти различия статистически значимы только для подстилки (с вероятностью 90%) и горизонта ВС (с вероятностью 95%).
Подстилка техногенных еловых редколесий (33% С) и пустошей (26% С, рис. 4.3) вблизи источника загрязнения обеднена органическим веществом в связи с прекращением поступления свежих растительных остатков с опадом и сильной запыленностью. Характерной особенностью подстилки техногенного редколесья является закономерное обеднение ее органическим веществом по мере удаления от стволов елей: максимальное количество углерода содержит подстилка подкроновых пространств (40%) и приствольных повышений (37%), пополняющая свое органическое вещество за счет все еще поступающего растительного опада, тогда как подстилка открытых пространств сильно обеднена углеродом (29%) в связи с отсутствием источника его поступления. Содержание органического вещества в минеральных горизонтах варьирует в зависимости от обогащенности тонкодисперсным материалом. Подзолам техногенного редколесья свойственно обогащение органическими соединениями иллювиального горизонта и расширение зоны их аккумуляции. Пополнение запасов органического вещества корнеобитаемой зоны может обеспечиваться за счет интенсификации отмирания корней. Наряду с этим вынос в условиях кислой среды кислоторастворимых, гидрофильных компонентов гумусовых веществ из подстилки способствует увеличению зоны иллювиального накопления органоминеральных соединений (Милановский, Копцик, 2004). Помимо железа и алюминия, гумусовые вещества могут осуществлять миграцию поступающих с атмосферными выпадениями тяжелых металлов.
