Поглощение элементов сосной и елью в лесных экосистемах северной тайги в условиях атмосферного загрязнения

На правах рукописи

Щербенко Татьяна Анатольевна ПОГЛОЩЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СОСНОЙ И ЕЛЬЮ В ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ СЕВЕРНОЙ ТАЙГИ В УСЛОВИЯХ АТМОСФЕРНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ Специальность 03.00.27 – почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва, 2008

Работа выполнена на кафедре общего почвоведения факультета почвоведения Актуальность работы определяется важной ролью биологического Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова поглощения как звена биогеохимических циклов элементов в функциониро вании лесных экосистем. Стабильность биогеохимических циклов элементов

Научный консультант: является основной предпосылкой длительного существования лесов Севера Кандидат биологических наук Г.Н. Копцик (Родин, Базилевич, 1965;

Карпачевский, 1977, 1981;

Манаков, Никонов, 1981;

Лукина, Никонов, 1996 и др.). Специфика биогеохимических циклов элеме

Официальные оппоненты: нтов в лесах Кольского Севера обусловлена, с одной стороны, экстремаль Доктор сельскохозяйственных наук, профессор В.Н. Переверзев ными природными условиями, а с другой стороны продолжительным и Кандидат биологических наук Т.Н. Болышева интенсивным действием техногенного фактора. Атмосферное промышленное загрязнение вызывает нарушения взаимосвязей компонентов внутри Ведущее учреждение: экосистемы, что влечет за собой изменения закономерностей биологического Институт проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН (г. Апатиты) поглощения элементов, их распределения в ассимилирующих и многолетних органах, функционирования и, в конечном итоге, деградацию экосистем.

Большинство сведений по биологическому поглощению элементов ограничены ассимилирующими органами древесных растений (Воздействие металлургических производств…, 1995;

Сыроид, 1997;

Сухарева, 2004;

Защита диссертации состоится « 23 » декабря 2008 года в 15 час. 30 мин. Turunen, Huttunen, 1996;

Ratio et al., 1998;

Kozlov et al., 1999;

Reimann et al., в аудитории 398-М на заседании диссертационного совета Д 501.001.57 при 2001;

Rautio, Huttunen, 2003), хотя определяющую роль могут играть МГУ им. М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинские многолетние органы благодаря их большой биомассе. Данные по горы, МГУ, факультет почвоведения. 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

Автореферат разослан « 21 » ноября 2008 г. находятся основные металлы-загрязнители (никель и медь), тогда как не

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения меньшее значение могут иметь сопутствующие металлы, отличающиеся МГУ. высокой токсичностью (кадмий, свинец). Особый интерес представляют не исследованные ранее потенциально токсичные мобильные соединения Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба тяжелых металлов в ассимилирующих органах деревьев. Несмотря на направлять по указанному адресу ученому секретарю диссертационного традиционное внимание к системе «почва – растение» их взаимосвязь в совета. лесных экосистемах, особенно в условиях атмосферного загрязнения, практически не изучена.

Целью исследований является анализ поглощения элементов пита ния и тяжелых металлов ассимилирующими и многолетними органами сосны и ели в широком ряду экосистем сосновых и еловых лесов в зоне влияния

Ученый секретарь атмосферных выбросов комбинатов «Печенганикель» и «Североникель» на диссертационного совета Кольском полуострове. Проанализированы основные источники поступления доктор биологических наук А.С. Никифорова тяжелых металлов и серы в растения, а также роль хвои и многолетних органов деревьев в диагностике загрязнения и накоплении поллютантов.

Задачи исследований:

1. Охарактеризовать природные особенности элементного состава ассимилирующих (хвоя) и многолетних (мелкие ветви, кора и древесина) органов сосны и ели на Кольском полуострове.

2 2. Выявить закономерности техногенной трансформации содержания содержания элементов в системе почва-растение может служить основой для макроэлементов (N, S, K, Mg, Ca) и тяжелых металлов (Ni, Cu, Cd, Pb, Zn) анализа экологических рисков, оценки и коррекции питательного режима в ассимилирующих и многолетних органах сосны и ели. почв в целях восстановления лесов на техногенных пустошах.

3. Проанализировать аккумуляцию элементов питания и элементов- Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и загрязнителей в биомассе сосны и ели и ее изменение под воздействием обсуждены на: ХI Международной конференции студентов и аспирантов по загрязнения. фундаментальным наукам «Ломоносов-2004» (Москва 12-15 апреля 2004 г.);

4. Оценить содержание и запасы доступных для растений соединений Международной научной конференции «Современные проблемы загрязнения тяжелых металлов в подзолах по градиентам загрязнения. почв» (Москва, 24-28 мая 2004 г.);

ХII Международной конференции 5. Проанализировать связь содержания тяжелых металлов в студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2005» (Москва, 12-16 апреля 2005 г.);

7ой Международной конференции по ассимилирующих и многолетних органах сосны и ели с содержанием доступных соединений металлов в почвах. кислотным осадкам «Acid Rain 2005» (Prague, Czech Republic, June 12-17, 2005);

10ом Конгрессе Хорватского общества почвоведения «Soil functions in Научная новизна. В настоящей работе впервые:

• выявлено однотипное распределение элементов в хвое и многолетних the environment» (ibenik, Croatia, June 14–17, 2006);

Международной научно практической конференции «Антропогенная динамика природной среды» (г.

органах сосны и ели и обогащение ели кальцием и цинком по сравне Пермь, Россия, 16-20 октября 2006 г.);

Международной конференции «Soil and нию с сосной в фоновых лесных экосистемах Кольского полуострова;

Wetland Ecotoxicology: SOWETOX 2007» (November 26-27, 2007, Barcelona, • уточнены закономерности техногенной трансформации элементного Spain). Результаты исследований доложены и обсуждены на заседании состава ассимилирующих и многолетних органов сосны и ели, кафедры общего почвоведения факультета почвоведения МГУ.

проявляющиеся в накоплении никеля, меди, кадмия, свинца и серы и Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ (3 статьи потерях цинка, а также в обеднении хвои ели кальцием и магнием и в соавторстве, 7 тезисов).

обогащении калием и азотом;

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, • вскрыт высокий вклад многолетних органов (ветвей, коры и 5 глав, выводов и списка литературы. Изложена на 172 страницах текста, древесины ствола) сосны и ели в аккумуляцию тяжелых металлов в содержит 26 таблиц и 42 рисунков. Список литературы включает условиях атмосферного загрязнения;

названия, в том числе 74 на иностранных языках.

• обнаружен рост содержания мобильных соединений тяжелых Благодарности. Выражаю огромную признательность своему металлов при снижении их доли в хвое сосны и ели при загрязнении;

научному руководителю Г.Н. Копцик за всестороннюю и неоценимую • выявлена прямая значимая связь между содержанием тяжелых помощь в работе, за внимание и понимание, которые помогли мне преодолеть металлов в хвое и многолетних органах сосны и ели и все трудности и завершить задуманное. Особые слова признательности корнеобитаемых горизонтах почв;

сотрудникам кафедры общего почвоведения за отзывчивость и ценные • показано накопление никеля и меди биомассой сосны и ели при рекомендации в процессе выполнения работы. Огромная благодарность всем снижении вклада биомассы в аккумуляцию металлов в лесных сотрудникам ИППЭС КНЦ РАН за помощь в проведении полевых и экосистемах с ростом атмосферного загрязнения.

аналитических работ. Кроме того, данная работа была бы невозможна без Практическая значимость. В работе охарактеризованы постоянной поддержки и понимания моих родных и коллег по работе.

современные уровни содержания тяжелых металлов и серы в различных Работа поддержана РФФИ (02-04-49047, 05-04-48460, 08-04-01745) и органах хвойных деревьев и почвах в зонах влияния комбинатов. Сравнение Исследовательским обществом Нидерландов (NWO 047.014.002).

с данными начала 1990-х годов, относящимися к периоду максимальных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, позволяет ориентировочно СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

проследить динамику содержания элементов-загрязнителей в растениях и почвах в условиях сокращения их атмосферных выпадений. Содержание Глава 1. Биологическая миграция элементов в лесных тяжелых металлов в хвое и коре сосны и ели может служить индикатором экосистемах в условиях атмосферного промышленного загрязнения атмосферного загрязнения лесных экосистем. Элементный состав деревьев (литературный обзор) может использоваться при моделировании поведения поллютантов и оценке В главе проанализированы закономерности и особенности их критических нагрузок в лесных экосистемах. Выявленная взаимосвязь биологической миграции элементов в бореальных лесных экосистемах, 4 подверженных атмосферному промышленному загрязнению. Определены действие атмосферного загрязнения ведет к нарушению биогеохимических основные понятия, охарактеризованы первичная продуктивность, поглощение циклов элементов и изменению состояния лесных экосистем (Лукина, и возврат элементов растениями. Никонов, 1996;

Копцик и др., 1999;

Кашулина, 2002;

Kashulina et al., 1997).

Зональные северотаежные сосновые и еловые леса Кольской Несмотря на длительные исследования лесных экосистем Кольского Субарктики характеризуются низкорослыми сильно разреженными полуострова количественная оценка поглощения элементов растениями в древостоями и отличаются низкой продуктивностью. В дополнение к условиях атмосферного загрязнения далека от завершения, а взаимосвязи суровым климатическим условиям лесные экосистемы Кольского растительности и почв мало изучены.

полуострова в течение 60 лет испытывают высокие атмосферные нагрузки Глава 2. Объекты и методы исследований загрязняющих веществ. Основные источники загрязнения крупнейшие в Объектами исследования послужили экосистемы сосновых и еловых северной Европе комбинаты медно-никелевого комплекса «Печенганикель» и лесов Кольского полуострова, подверженные воздействию атмосферных «Североникель», преобладающими компонентами выбросов которых выбросов комбинатов «Печенганикель» и «Североникель», крупнейших в являются кислотообразующие агенты (соединения серы) и тяжелые металлы.

северной Европе источников диоксида серы и тяжелых металлов. Изучаемые Анализу влияния атмосферного промышленного загрязнения на леса занимают автономные позиции в ландшафте и развиты на маломощных бореальные лесные экосистемы посвящено много работ отечественных иллювиально-железистых и иллювиально-гумусовых подзолах, сформирован (Дончева, 1978;

Крючков, Макарова, 1989;

Лесные экосистемы…, 1990;

ных на сортированных и несортированных гляциальных отложениях.

Воздействие металлургических производств…, 1995;

Лукина, Никонов, 1996, Исследовали сосновые леса на 13 участках мониторинга в южном 1998;

Кислотные осадки…, 1999;

Кашулина, 2002;

Копцик и др., 1999, 2004, направлении от комбината «Печенганикель» и еловые леса на 11 участках 2008) и зарубежных (Hutchinson, Whitby, 1974;

Freedman, Hutchinson, 1978;

мониторинга в южном направлении от комбината «Североникель». Образцы Смит, 1985;

Lberslie, Steinnes, 1988;

Forest Decline…, 1989;

Atmospheric хвои разного возраста, мелких ветвей (d1 см), коры и древесины стволов Deposition…, 1992;

Kashulina et al., 1997;

Salemaa et al., 2004 и др.) сосны и ели отбирали с 10 деревьев на каждом участке в августе 2002-2003 гг.

исследователей. Первые оценки состояния лесных экосистем в зоне влияния Образцы перед анализом не отмывали. Одновременно были отобраны комбинатов на Кольском полуострове выявили значительные изменения в образцы почв из основных генетических горизонтов (O, E, Bfh, BC и C) характере растительного покрова с приближением к источнику загрязнения:

подзолов в 5-кратной повторности на каждом участке. Анализировали исчезновение лишайников, снижение доли мхов в напочвенном покрове, смешанные образцы почв, просеянные через сито с отверстиями 2 мм.

снижение общего проективного покрытия, обесцвечивание хвои, дефолиация, Озоление растительного материала проводили с помощью концент ухудшение состояния крон, гибель древесного яруса (Дончева, 1978;

рированной азотной кислоты с добавлением 30% раствора перекиси водоро Крючков, Макарова, 1989;

Лесные экосистемы…, 1990). Существенную да. Мобильные (биологически доступные) и трудно растворимые соединения трансформацию претерпевает элементный состав как древесных растений – тяжелых металлов разделяли с помощью 15-минутного кипячения неотмытых эдификаторов лесных экосистем, так и растений наземного яруса листьев в дистиллированной воде (Kozlov et al., 2000). В растворах, (Воздействие металлургических производств…, 1995;

Лукина, Никонов, 1996, полученных после мокрого озоления и кипячения, определяли содержание 1998;

Копцик и др., 1999, 2008;

Черненькова, 2002;

Сухарева, 2004;

Щербенко металлов (Ca, Mg, K, Ni, Cu, Zn, Pb и Cd) методом атомно-абсорбционной и др., 2008;

Reimann et al., 2001: Koptsik et al., 2003). Нарушаются структура спектрофотометрии (AAC). Серу определяли турбидиметрическим методом, и функционирование микробных сообществ (Евдокимова, 1995).

общий азот по методу Кьельдаля (Воробьева, 1998).

Маломощные подзолы Кольского полуострова обладают высокой Актуальную кислотность (рН) почв измеряли потенциометрически в кислотностью, низкими запасами обменных оснований и емкостью водной и солевой (0.01 М СаCl2) суспензиях. Содержание доступных для катионного обмена (Белов, Барановская, 1969;

Переверзев, 1993, 2001, 2004, растений соединений тяжелых металлов в почвах определяли в вытяжке 1 М 2006;

Лукина, Никонов, 1996;

Копцик и др., 1999;

Переверзев и др., 2000;

раствором NH4NО3 методом AAC (Ca, Mg, K, Ni, Cu, Zn, Cd и Pb).

Кашулина, 2002) и отличаются низкой устойчивостью к атмосферным Биомассу (Y) сосны и ели оценивали с помощью разработанных для поллютантам (Копцик, 2004). Промышленные выбросы приводят к Кольского полуострова регрессионных уравнений (Лукина, Никонов, 1996) на нарушениям питательного режима почв вследствие обеднения элементами основании измерений высоты (h) и диаметра на высоте груди (d) на участках питания, подкисления, аккумуляции и мобилизации тяжелых металлов мониторинга: log Y = a + b * log X, X=d2 * h.

(Лукина, Никонов, 1998;

Копцик и др., 1999;

2004;

Кислотные осадки…, 1999;

Кашулина, 2002;

Koptsik et al., 2003). Продолжительное систематическое 6 Обработку результатов проводили методами описательной статистики. Однако при сравнении свойств растений и почв, особенно на Mg загрязненных территориях, средние арифметические, как и медианы, не 1500 отражают всех их особенностей (Дмитриев, 1983). При таком сравнении 1200 существенно охарактеризовать собственно распределения свойств, а не только их средние. Поэтому для визуализации и характеристики 900 Mg, мг/кг Mg, мг/кг распределений использовали также технику ‘box-plot’. 600 Глава 3. Элементный состав растений 300 Элементный состав сосны и ели в фоновых районах типичен для 0 хвояО хвояЗ ветви кора ствол хвояО хвояЗ ветви кора ствол бореальных лесов Кольского полуострова. И сосна, и ель относятся к низкозольным кали-кальцефилам. K Элементы питания. Хвоя сосны текущего года характеризуется 10000 преобладанием азота и калия, а также повышенным содержанием кальция и 8000 магния по сравнению с другими органами (рис. 1). При старении хвои элементный состав ее меняется в сторону накопления малоподвижного 6000 K, мг/кг K, мг/кг кальция и потери подвижных калия, магния и азота в связи с их локализацией 4000 в зоне активного роста растений. Возрастные закономерности изменения 2000 содержания элементов питания сохраняются в условиях загрязнения. Мелкие 0 ветви сосны характеризуются высокими уровнями накопления минеральных хвояО хвояЗ ветви кора ствол хвояО хвояЗ ветви кора ствол элементов, сопоставимыми с ассимилирующими органами. Кора и древесина N ствола отличаются низким содержанием макроэлементов (за исключением кальция в коре). 16000 Ель характеризуется сходными с сосной природными особенностями 12000 распределения элементов питания и их возрастной динамики в ассимилирующих и многолетних органах. При этом и хвоя, и многолетние N, мг/кг N, мг/кг 8000 органы ели почти вдвое обогащены кальцием по сравнению с сосной.

С нарастанием загрязнения содержание кальция и магния в хвое ели снижается в связи с выщелачиванием кислыми осадками (табл. 1). 0 хвояО хвояЗ ветви кора ствол хвояО хвояЗ ветви кора ствол Содержание калия и азота, напротив, возрастает, вероятно, в связи со снижением возраста хвои и ретранслокацией элементов из интенсивно Сосна Ель опадающей хвои в хвою текущего года.

Рис. 1. Изменчивость содержания магния, калия и азота в органах Элементы-загрязнители. Хвоя сосны и ели фоновых участков сосны в зоне влияния ГМК «Печенганикель» (слева) и ели в зоне отличается повышенным содержанием основных поллютантов по сравнению влияния ГМК «Североникель» (справа). Хвоя 0 – хвоя текущего года, с незагрязненными районами Кольского полуострова как в связи с выбросами хвоя 3 – хвоя 3-его года жизни. Приведены среднее арифметическое местных предприятий, так и с дальним атмосферным переносом.

(), медиана (), нижний и верхний квартили (границы Содержание серы максимально в хвое и снижается в многолетних органах прямоугольника), 95% доверительный интервал (, ). Значения, сосны (рис. 2). Следует отметить, что содержание серы уменьшается при выходящие за рамки 95% доверительного интервала, показаны старении хвои сосны в соответствии с поведением, выявленным для звездочками.

элементов питания. Хвое ели, напротив, свойственно накопление серы с возрастом, также сера накапливается и в коре. Многолетние ветви и кора накапливают металлы по сравнению с хвоей Содержание никеля и меди в хвое фоновых участков при старении (рис. 2). Содержание тяжелых металлов в древесине сосны и ели, также как и практически не меняется, а в хвое загрязненных участков возрастает.

8 макроэлементов, очень низкое. При этом ель поглощает значительно больше никеля и меди по сравнению с сосной, вероятно, в связи с бльшей листовой S поверхностью и повышенными выбросами металлов комбинатом «Североникель» по сравнению с комбинатом «Печенганикель». Накопление тяжелых металлов ассимилирующими и многолетними органами сосны и ели по градиентам загрязнения характеризуется сходными 900 S, мг/кг S, мг/кг закономерностями, наиболее ярко проявляющимися у ели. Рост атмосферного загрязнения сопровождается резким накоплением в хвое никеля и меди (табл. 1). По сравнению с фоном концентрации этих металлов в хвое елового редколесья возрастают соответственно в 60 и 20 раз. Следует хвояО хвояЗ ветви кора ствол хвояО хвояЗ ветви кора ствол отметить уменьшение возраста хвои с 5-6 лет на условно фоновых территориях до 2-3 лет вблизи комбината. Под воздействием загрязнения Ni содержание никеля и меди в мелких ветвях и коре ели увеличивается на порядка по сравнению с фоном, что в значительной степени обусловлено 140 механическим осаждением и накоплением металлсодержащей пыли на поверхности коры благодаря ее шероховатой структуре. С приближением к Ni, мг/кг Ni, мг/кг источнику загрязнения концентрации никеля в древесине ели возрастает в 5, меди – в 1.5 раза. Анализ древесины сосны и ели по годовым кольцам также свидетельствует о загрязнении тяжелыми металлами молодой (25-летней) древесины по сравнению со старой, сформировавшейся в период низкого хвояО хвояЗ ветви кора ствол уровня промышленных выбросов. хвояО хвояЗ ветви кора ствол Накопление тяжелых металлов обусловлено как поглощением их Cu корневой системой из почвы, так и осаждением на поверхность растений из атмосферы. Однако количественный вклад сухого осаждения до сих пор не ясен в связи с методическими трудностями. В наших исследованиях содержание мобильных (биологически доступных) соединений никеля и меди в хвое ели фоновых районов не превышало 7 и 22% от их общего количества.

Cu, мг/кг Cu, мг/кг С нарастанием атмосферного загрязнения абсолютное содержание 100 растворимых соединений никеля в хвое возрастало в 20-30, а меди – в 10 раз, 50 при этом их относительное содержание снижалось до 2-3 и 3-12% соответственно. Это свидетельствует об увеличении доли поверхностного хвояО хвояЗ ветви кора ствол хвояОхвояЗ ветви кора ствол осаждения вблизи источника загрязнения. Наряду с атмосферными Сосна Ель аэрозолями источником металлов на поверхности растений может служить металлосодержащая пыль вследствие активного развития эрозии почв. Рис. 2 Изменчивость содержания серы, никеля и меди в органах сосны Содержание свинца и кадмия, сопутствующих металлов- в зоне влияния ГМК «Печенганикель» (слева) и ели в зоне влияния загрязнителей, возрастает от ассимилирующих к многолетним органам. При ГМК «Североникель» (справа). Хвоя 0 – хвоя текущего года, хвоя 3 – этом ель накапливает в несколько раз больше свинца, чем сосна. С хвоя 3-его года жизни. Приведены среднее арифметическое (), приближением к источнику загрязнения содержание свинца в хвое, мелких медиана (), нижний и верхний квартили (границы прямоугольника), ветвях и коре ели увеличивается в десятки раз по сравнению с фоном. 95% доверительный интервал (, ). Значения, выходящие за рамки Однако в древесине свинец не накапливается. С ростом атмосферного 95% доверительного интервала, показаны звездочками.

загрязнения содержание кадмия в хвое, ветвях и коре увеличивается в 4-7 раз, в древесине – в 2 раза.

10 Молодая хвоя сосны обогащена цинком, а многолетние органы – обеднены по сравнению с елью. В отличие от большинства тяжелых металлов 5 Древесина концентрация цинка в хвое, ветвях и коре ели снижается с нарастанием Кора загрязнения. Обеднение хвои ели цинком обусловлено, возможно, Ветви Биомасса, кг/м Биомасса, кг/м Хвоя, 3 год антагонистическими взаимоотношениями между Zn и Fe, Cd, Cu. Вероятны Хвоя, 0 год также процессы выщелачивания цинка кислыми осадками. Содержание цинка в древесине мало меняется с приближением к источнику загрязнения. В таблице 1 представлены коэффициенты накопления элементов в органах сосны и ели техногенных редколесий по отношению к фоновым участкам. Обращает на себя внимание обеднение хвои элементами питания 6 5 7 8 11 12 16 34 41 58 75 (Ca, Mg и Zn) и обогащение хвои и многолетних органов серой и тяжелыми 7 18 20 21 24 28 100 101 металлами, особенно никелем и медью. Характеризующиеся максимальным 60 накоплением поллютантов многолетняя хвоя и кора сосны и ели могут быть рекомендованы для биомониторинга атмосферного загрязнения. Таблица 1. Коэффициенты накопления элементов в органах сосны и ели Ni, мг/м Ni, мг/м техногенных редколесий по отношению к фоновым участкам Органы Ca Mg K N S Ni Cu Cd Pb Zn Сосна Хвоя 0 г. 0.8 0.8 0.9 0.9 1.3 4.4 2.9 1.1 1.5 0. Хвоя 3 г. 0.7 1.1 0.9 1.1 1.4 0. 17 11 1.6 14 7 18 20 21 24 28 100 101 6 5 7 8 11 12 16 34 41 58 75 Ветви 1.7 1.0 1.6 0.7 2.2 10 8.1 3.4 7.4 0. Кора 1.4 7.1 3.6 1.2 8.5 1. 27 18 1.7 1.1 Древесина 60 180 Древесина Кора Древесина 1.2 1.3 1.1 1.0 0.5 1.6 0.9 1.3 2.2 1.0 Кора 50 Ветви Ветви Ель Хвоя Хвоя 40 Хвоя 0 г. 0.5 0.8 1.4 1.3 2.0 60 24 7.6 17 0. Cu, мг/м Cu, мг/м Хвоя 3 г. 0.9 0.6 1.3 1.4 2.7 0. 75 18 4.2 13 Ветви 0.9 1.1 3.5 0.8 10 260 120 3.2 28 0.6 20 Кора 0.9 0.6 0.3 0.9 2.9 0. 320 210 3.9 10 Древесина 1.3 1.6 1.3 0.8 5.5 5.5 1.5 2.0 0.6 1.1 7 18 20 21 24 28 100 101 6 5 7 8 11 12 16 34 41 58 75 Сравнение с данными периода максимальных атмосферных выбросов Расстояние, км Расстояние, км (Лукина, Никонов, 1996;

Копцик и др., 1999) позволило выявить тенденцию к Сосна Ель снижению содержания серы, никеля и меди в хвое ели, а также серы в хвое сосны, обусловленную сокращением выбросов. Однако эти изменения не Рис. 3. Аккумуляция тяжелых металлов в биомассе сосны в зоне синхронны в связи с большими запасами тяжелых металлов в почвах.

влияния ГМК «Печенганикель» (слева) и ели в зоне влияния ГМК Аккумуляция тяжелых металлов в биомассе сосны и ели.

«Североникель» (справа).

Сосновые леса Кольского полуострова характеризуются низкой биомассой и продуктивностью. Биомасса сосны не превышает 5 кг/м2 в фоновых сосняках и снижается до 1-2 кг/м2 с нарастанием загрязнения (рис. 3). Основной вклад В сосновых лесах, удаленных от источника загрязнения, сосна накапливает около 9 мг никеля, 10 мг меди, 1-2 мг свинца, 0.4 мг кадмия и 50-80 мг/м в биомассу вносит древесина (64-80%), доля коры не превышает 10-12%.

цинка. Под воздействием техногенного загрязнения, несмотря на снижение Доли хвои и мелких ветвей в фоновых условиях составляют 15 и 10% и биомассы, накопление никеля и меди в биомассе сосны возрастает, снижаются вследствие дефолиации с ростом загрязнения.

12 а цинка – снижается (рис. 3). В загрязненных районах кора сосны аккумулирует наибольшее количество никеля и меди (до 90% от общего O содержания металла в биомассе). 2000 Еловые леса, как и сосновые, обладают низкой биомассой и продуктивностью. Биомасса ели не превышает 8 кг/м2 в фоновых ельниках и 1500 постепенно снижается с приближением к источнику загрязнения. Основной Ni, Cu, мг/кг Ni, Cu, мг/кг 1000 вклад в биомассу вносит древесина (70-80%), доля хвои не превышает 9-12, мелких ветвей – 7-12, коры – 3-4%. 500 В еловых лесах условно фоновых районов ель накапливает около мг никеля, 11 мг меди, 2 мг свинца, 0.4 мг кадмия и 150 мг/м2 цинка. Под 0 Ni Cu Ni Cu воздействием загрязнения аккумуляция никеля, меди, свинца и кадмия елью возрастает и затем вновь снижается в связи с сокращением биомассы. В Bhf загрязненных районах ветви и кора ели накапливают наибольшую долю никеля, меди и свинца от общего количества металла в биомассе. Кадмий и цинк аккумулируются преимущественно в древесине, а с ростом загрязнения 40 – и в ветвях.

Ni, Cu, мг/кг Ni, Cu, мг/кг 30 Глава 4. Распределение доступных для растений соединений 20 тяжелых металлов в почвах 10 Подзолы Кольского полуострова характеризуются низким содержанием органического вещества и кислой реакцией. Профильное 0 Ni Cu Ni Cu распределение кислотности и углерода в подзолах под сосновыми и еловыми лесами сходное. Подзолы ельников кислее и обогащены органическим C веществом по сравнению с подзолами сосняков.

Величины и диапазон изменений содержания доступных соединений никеля и меди в подзолах исследуемых районов представлены на рис. 4. Подзолы характеризуются явным максимумом содержания всех Ni, Cu, мг/кг Ni, Cu, мг/кг исследованных металлов в подстилке. В окрестностях обоих комбинатов содержание никеля в подстилке больше по сравнению с медью. С приближением к комбинату «Печенганикель» содержание никеля и меди в подстилке сосновых лесов увеличивается в 280 и 100 раз, достигая 1900 и 270 мг/кг соответственно. Повышенное содержание никеля и меди в Ni Cu Ni Cu подстилке, превышающее критические пределы, наблюдается в радиусе не менее 40 км от комбината. Еще более резкое накопление никеля и меди в Подзолы под сосновыми лесами Подзолы под еловыми лесами подстилках, превышающее два порядка, характерно для еловых лесов Рис. 4. Доступные для растений соединения никеля и меди в подзолах окрестностей комбината «Североникель». При этом зона загрязнения под сосновыми лесами в зоне влияния ГМК «Печенганикель» (слева) и простирается не менее чем на 100 км.

еловыми лесами в зоне влияния ГМК «Североникель» (справа).

Аккумуляция никеля и меди в подстилке с ростом атмосферного Приведены среднее арифметическое (), медиана (), нижний и загрязнения свидетельствует об ее барьерной функции. Однако в процессе верхний квартили (границы прямоугольника), 95% доверительный деградации лесных экосистем подстилка теряет способность к аккумуляции интервал (, ). Значения, выходящие за рамки 95% доверительного металлов, содержание их в верхних горизонтах снижается, а глубина интервала, показаны звездочками.

проникновения вниз по профилю растет. Это особенно характерно для сравнительно подвижного никеля.

14 Почвы под еловыми лесами отличаются повышенным уровнем содержания свинца и кадмия по сравнению с почвами под сосновыми лесами.

Таблица 3. Связь содержания никеля и меди в ели и почвах еловых лесов Вблизи источника загрязнения содержание кадмия в подстилке увеличивается вблизи комбината «Североникель» (параметры регрессионных уравнений) в 2-4 раза, свинца – в 2-8 раз по сравнению с фоном.

Гори Орган Ni Cu Цинк характеризуется близким диапазоном изменений в почвах R2 R зонт k se k se сосняков и ельников. Несмотря на поступление цинка с атмосферными O Хвоя 0 года 0.68 0.07 0.90 0.60 0.07 0. выбросами его содержание в подстилке снижается с приближением к источ Хвоя 3 года 0.72 0.08 0.91 0.58 0.06 0. никам загрязнения. Обеднение цинком подстилок вблизи медно-никелевых комбинатов связано, вероятно, с его вытеснением с обменных позиций Ветви 0.95 0.10 0.91 0.76 0.12 0. катионами основных металлов-загрязнителей и последующим выносом. Кора 1.00 0.08 0.95 0.79 0.09 0. Древесина 0.37 0.09 0.64 0.09 0.02 0. Глава 5. Связь содержания тяжелых металлов в растениях и Bhf Хвоя 0 года 0.74 0.12 0.80 - - почвах при атмосферном загрязнении Хвоя 3 года 0.78 0.14 0.77 - - С помощью корреляционного анализа обнаружена значимая прямая Ветви 1.02 0.19 0.76 - - связь содержания никеля и меди в хвое, ветвях, коре и никеля в древесине Кора 1.08 0.17 0.81 - - сосны с содержанием доступных металлов в подстилках подзолов сосновых Древесина 0.48 0.06 0.87 - - лесов вблизи комбината «Печенганикель». В еловых лесах зоны влияния комбината «Североникель» значимая прямая связь между содержанием Содержание никеля в органах сосны и ели прямо связано с его никеля и меди в органах ели и в почвах характерна как для подстилки, так и содержанием как в подстилках, так и в иллювиальных горизонтах сосняков и для минеральных горизонтов. Прямая корреляция выявлена в ряде случаев ельников. С ростом содержания доступных соединений меди в подстилке ее для свинца и кадмия.

содержание в хвое, ветвях и коре сосны и ели также увеличивается. Однако Связь содержания тяжелых металлов в органах сосны и ели (Meраст) с связь практически отсутствует для иллювиальных горизонтов подзолов в содержанием доступных соединений металлов в почвах (Meпочва) обоих типах леса. Результаты регрессионного анализа свидетельствуют о аппроксимируется уравнением линейной регрессии более интенсивном поглощении никеля и меди елью по сравнению с сосной.

log(Meраст) = a + k * log(Meпочва), При этом никель поглощается активнее, чем медь (табл. 2-3). Значимой связи где a и k – эмпирические коэффициенты. Величины коэффициентов a и k между содержанием свинца, кадмия и цинка в биомассе сосны и ели и в представлены в таблице 2 ([Me] = мг/кг, se – стандартная ошибка, R – почвах не обнаружено.

коэффициент корреляции).

В сосновых и еловых лесах аккумуляция никеля сосной и елью не Таблица 2. Связь содержания никеля и меди в сосне и почвах сосновых лесов превышает 10% запасов доступных для растений соединений металла, вблизи комбината «Печенганикель» (параметры регрессионных уравнений) накопленных в полуметровом слое подзолов (рис. 5). Относительная аккумуляция меди сосной и елью заметно выше и достигает 20-30% запасов Гори Орган Ni Cu ее доступных соединений в почвах. Накопление в биомассе сосны и ели R2 R зонт k se k se свинца не превышает обычно 2-7% относительно его запасов в подзолах.

O Хвоя 0 года 0.38 0.07 0.73 - - Столь же низка относительная аккумуляция кадмия в биомассе ели и немного Хвоя 3 года 0.65 0.08 0.87 0.55 0.12 0. выше – в биомассе сосны. Сравнительно высокое накопление в биомассе Ветви 0.61 0.08 0.82 0.48 0.11 0. сосны и ели по отношению к запасам в почвах (10-30%) свойственно цинку.

Кора 0.75 0.11 0.81 1.06 0.12 0. С приближением к источнику загрязнения запасы в подзолах доступных для Древесина 0.14 0.06 0.26 - - растений соединений основных поллютантов, никеля и меди, возрастают в Bhf Хвоя 0 года 0.39 0.14 0.38 1.45 0.58 0. сотни раз, аккумуляция их в биомассе сосны и ели увеличивается в десятки Хвоя 3 года 0.59 0.23 0.34 - - - раз, а относительное накопление снижается. Аналогичные, но менее Ветви 0.64 0.19 0.48 - - - выраженные закономерности, характерны и для сопутствующих металлов Кора 0.77 0.25 0.43 - - - загрязнителей – свинца и кадмия.

Древесина 0.19 0.08 0.27 - - 16 ветвях, кальция – в многолетней хвое, цинка – в хвое и ветвях, кадмия – в ветвях и коре, никеля, меди и свинца – в коре. Древесина отличается Ni Ni минимальным содержанием всех элементов. Ель почти вдвое обогащена кальцием, а ее многолетние органы – цинком по сравнению с сосной.

4000 2. Атмосферное загрязнение сопровождается значительными изменениями комбинат элементного состава ассимилирующих и многолетних органов сосны и Биомасса ели, проявляющимися в накоплении никеля, меди, кадмия, свинца и серы Биомасса Ni, mg/m Почва Ni, мг/м и обеднении цинком. Хвоя ели вблизи источника загрязнения обеднена Почва также кальцием и магнием и обогащена калием и азотом.

1500 3. Возрастные изменения элементного состава хвои характеризуются ее 1000 обогащением малоподвижными (кальций) и обеднением подвижными (калий, азот, магний, цинк) элементами и сохраняются в условиях 7 18 20 21 24 28 100 101 6 5 7 8 11 12 16 34 41 58 75 загрязнения, дополняясь выраженным накоплением никеля, меди и Расстояние, км Расстояние, км свинца для сосны и серы для ели.

4. Значительная аккумуляция тяжелых металлов и серы в многолетней хвое Cu Cu и, особенно, коре сосны и ели подтверждает целесообразность их использования для мониторинга атмосферного загрязнения. Однако 700 диагностика токсичности металлов по этому признаку проблематична в комбинат связи с возможной высокой долей поверхностного осаждения.

5. Несмотря на низкую биомассу хвойных лесов на северном пределе их Биомасса Cu, мг/м Cu, мг/м 400 Биомасса Почва распространения аккумуляция тяжелых металлов в ветвях и коре, наряду Почва 300 с древесиной, достигает заметных величин и должна быть учтена при моделировании поведения тяжелых металлов в экосистемах и оценке экологических рисков.

0 6. С ростом техногенной нагрузки содержание доступных для растений 6 5 7 8 11 12 16 34 41 58 75 77 7 18 20 21 24 28 100 101 соединений никеля и меди в подстилках возрастает на 2 порядка.

Расстояние, км Расстояние, км Содержание кадмия увеличивается в 2-4 раза, свинца – в 2-8 раз.

Загрязненные подстилки в 2-3 раза обедняются цинком. Повышенное Рис. 5. Соотношение запасов никеля и меди в биомассе и 0.5 м слое содержание никеля и меди в подстилке, превышающее критические почв сосновых лесов в зоне влияния комбината «Печенганикель» (слева) и пределы, наблюдается в радиусе не менее 40 км от комбината еловых лесов в зоне влияния комбината «Североникель» (справа).

«Печенганикель» и 100 км от комбината «Североникель».

Таким образом, наряду с прямым поступлением тяжелых металлов из 7. С помощью корреляционного и регрессионного анализов обнаружена атмосферы, загрязнение почв и дисбаланс элементов питания вносят прямая связь содержания никеля и меди в хвое, ветвях, коре и древесине значительный вклад в техногенную трансформацию фитоценозов в лесных сосны и ели с содержанием доступных соединений металлов в экосистемах. Несмотря на сокращение промышленных выбросов, корнеобитаемом слое почв, ослабевающая с глубиной.

значительная аккумуляция в почвах тяжелых металлов будет оказывать 8. Аккумуляция тяжелых металлов и дисбаланс элементов питания долговременное воздействие на их поглощение растениями благодаря вследствие атмосферного загрязнения вносят значительный вклад в корневому поступлению, а в техногенных редколесьях и пустошах – и техногенную трансформацию фитоценозов в лесных экосистемах.

поверхностному осаждению почвенной пыли с эродированных поверхностей. Несмотря на сокращение промышленных выбросов, накопленные запасы тяжелых металлов в почвах тормозят восстановление лесных экосистем.

ВЫВОДЫ:

1. Сосна и ель фоновых районов Кольского полуострова содержат макси мальное количество азота и серы в хвое, калия и магния – в хвое и мелких 18 По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Щербенко Т.А., Копцик Г.Н., Гроненберг Б.-Я., Лукина Н.В., Ливанцова С.Ю. Поглощение элементов питания и тяжелых металлов сосной в условиях атмосферного загрязнения // Вестник МГУ, сер. почвоведение.

2008. № 2. Cтр. 9-16.

2. Копцик Г.Н., Лукина Н.В., Копцик С.В., Щербенко Т.А., Ливанцова С.Ю.

Поглощение макроэлементов и тяжелых металлов елью в условиях интенсивного атмосферного загрязнения на Кольском полуострове // Лесоведение. 2008 № 2. С. 3-12.

3. Копцик Г.Н., Лукина Н.В., Копцик С.В., Ливанцова С.Ю., Щербенко Т.А., Ерасова С.А., Удачин Н.В. Поведение тяжелых металлов в подзолах под сосновыми лесами в условиях атмосферного загрязнения на Кольс ком полуострове // Вестник МГУ, сер. почвоведение. 2004. № 4. С. 1-11.

4. Смирнова И.Е., Щербенко Т.А., Копцик Г.Н. Подвижность и биологическая доступность тяжелых металлов в фоновых и загрязненных почвах Кольского полуострова // Материалы Международной научно практической конференции «Антропогенная динамика природной среды». Пермь, Россия, 16-20 октября 2006 г. Том 1. С. 185-187.

5. Щербенко Т.А. Изменения элементного состава хвои ели в условиях атмосферного загрязнения на Кольском полуострове // Тезисы докладов ХII Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2005».Москва 12-16 апреля 2005.

6. Щербенко Т.А., Копцик Г.Н., Лукина Н.В. Изменения элементного состава сосны в условиях атмосферного загрязнения на Кольском полуострове // Международная научная конференция «Современные проблемы загрязнения почв». Москва, 24-28 мая 2004.

7. Щербенко Т.А. Влияние атмосферного загрязнения на элементный состав растений Кольского Севера // Тезисы докладов ХI Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2004».Москва 12-15 апреля 2004, с.184-185.

8. Koptsik, G., Scherbenko, T., Koptsik, S., Livantsova, S. Bioavailability and phytotoxicity of heavy metals in forest soils subjected to extreme air pollution from nickel-processing industry // Soil and Wetland Ecotoxicology:

SOWETOX 2007. 26 to 27 November 2007, Barcelona, Spain.

9. Koptsik, G., Koptsik, S., Livantsova, S., Ermakov, I., Scherbenko, T.

Regulator function of soil in environmental impact of heavy metals // Soil functions in the environment. 10th Congress of Croatian Society of Soil Science. Summaries. ibenik, Croatia, June 14–17, 2006. P. 88.

10. Koptsik, G., Groenenberg, B.-J., Lukina, N., Livantsova, S., Koptsik, S., Scherbenko, T., Smirnova, I. Plant uptake of elements in spruce forests with high sulphur and heavy metal deposition. Acid Rain 2005. 7th Int. Conference.

Prague, Czech Republic, June 12-17, 2005. Conference Abstracts. P. 341.