Механизмы влияния воздушного промышленного загрязнения на леса

Механизмы влияния воздушного промышленного загрязнения на леса

(КРО РЭА)

В настоящее время современное состояние лесов регулируется действием ком­плекса стрессовых факторов, одним из которых является аэро­техногенное загрязнение. Влияние воздушного промышленного загрязнения на леса может выражаться в снижении видового раз­нообразия, в возрастании чувствительности деревьев к инвазиям насекомых и различного рода болезням, а также к климатичес­ким экстремумам, в снижении роста, суховершинности и гибели отдельных деревьев. Все эти негативные проявления отражают­ся на функционировании всей экосистемы. Согласно современным представлениям, в настоящее время лесные экосистемы подвергаются множественному стрессу, представляющему собой комбинацию прямого действия воздуш­ного загрязнения, подкисления почв, эвтрофикации и изменений естественных условий.

Прямое влияние воздушного промышленного загрязнения. Влияние высоких концентраций SО2, NOх, NH3, О3 в воздухе вы­ражается в следующем: поллютанты

а) оказывают воздействие на листовую кутикулу, приводящее к физиологической засухе; б) вызывают сдвиг в распределении органического углерода, приводя к ослаблению корневой системы; в) интенси­фицируют выщелачивание элементов питания из листвы. Сильные минеральные кислоты повреждают лис­товую кутикулу и таким образом вызывают повреждение деревь­ев. Такие соединения азота, как NОх, являются предшественника­ми озона − самого фитотоксичного газа. При очень высоких уровнях NH3 листья растений приобре­тают коричневый цвет вследствие токсичности этого соединения азота.

Подкисление почв − непрямое воздействие выпадений серы и азота. Включает: а) потери основных катионов из почвы, вызыва­ющие дефицит этих элементов питания для лесных деревьев, особенно магния; б) высвобождение растворимого токсичного алюминия, оказывающего влияние на рост тонких корней и ингибирующего поглощение основных катионов; в) снижение рН, что может влиять на процессы минерализации и, следовательно, на доступность элементов питания. Предполагается, что повреждение лесов связано с подкислением почв, поскольку А13+ токсичен для растений (повреждает тонкие корни), а также, что подкис­ление почв и повышенные выпадения азота вызывают дисбаланс элементов питания в почвах и растениях.

Азотная эвтрофикация. Увеличение выпадений азота из ат­мосферы ведет к изменению состава растительности и поврежде­нию деревьев. Длительное дополнительное поступление азота может вызвать повреждения лесов вследствие: а) недостатка во­ды, поскольку поступление азота стимулирует рост биомассы крон деревьев, тогда как рост корней не интенсифицируется;

б) дисбаланса в минеральном питании, поскольку увеличение биомассы кроны сопровождается увеличением по­требностей в основных катионах, однако поглощение этих кати­онов снижается из-за высокого уровня аммония (антагонизм); в) повышенной чувствительности к за­морозкам и грибным болезням. Повышенный уровень выпадений азота так­же может приводить к загрязнению грунтовых и поверхностных вод вследствие выщелачивания нитратов.

Влияние тяжелых металлов. Аккумуляторами тяжелых ме­таллов в лесных экосистемах являются почвы. Продолжитель­ность пребывания тяжелых металлов в почве, как правило, пре­вышает продолжительность жизни нескольких поколений расти­тельных организмов − до 1000 лет и более. Вынос этих элементов за пределы почв не превышает 10 % от поступления (Глазовская, 1990).

Наиболее обоснованным механизмом влияния тяжелых ме­таллов на лесные экосистемы в настоящее время является их не­гативное воздействие на почвенные микроорганизмы, главным образом микроскопические грибы, что приводит к угнетению микоризообразования и замедлению процессов разложения орга­нического вещества в бореальных лесах. Аккумуляция токсичных для микроорганизмов соединений тяже­лых металлов приводит к нарушению циклов элементов мине­рального питания и углерода, к изменению питательного режима почв. Вследствие угнетения микоризы и снижения содержания доступных соединений элементов питания, особенно в органоген­ных горизонтах почв, возможно снижение продуктивности лесов.

К тому же накопление тяжелых металлов в лесных почвах при­водит к их распространению по пищевым цепям.

Почва является неотъемлемым компонентом любого на­земного биогеоценоза и проходит все этапы его развития. В процессе техногенной дигрессии происходит трансформация свойств почв. Кислотные осадки, а также загрязнение атмосфе­ры соединениями тяжелых металлов могут приводить к значи­тельным изменениям кислотности и питательного режима почв лесных биогеоценозов: повышению кислотности почв, возрас­танию растворимости и мобильности тяжелых металлов и алю­миния, снижению запасов элементов минерального питания (кальция, калия, магния, марганца и др.), которые могут за­мещаться в почвенном поглощающем комплексе ионами водо­рода, катионами тяжелых металлов и выноситься из корнеобитаемого пространства мобильными анионами (например, суль­фатами).

Кислотность почв, подверженных таким выпадениям, зави­сит от запаса катионов в почвенном поглощающем комплексе, скорости выветривания почвенных минералов и количества и продолжительности действия выпадений. Возрастание почвенной кислотности влияет на поглощение растениями элементов как изначально присутствующих в почвах, так и привнесенных в результате человеческой деятельности. Увеличение доступности металлов может приводить к более ин­тенсивному поглощению их растениями. Следовательно, отрица­тельное действие подкисления выражается не только в истоще­нии почвенного поглощающего комплекса основаниями, но и в возрастании подвижности катионов Al3+, Fe3+, Mn2+, Ni2+, Cu2+ и других металлов, повышенные концентрации которых в почвен­ном растворе могут являться токсичными для живых организмов.

Так называемый новый тип повреждения лесов так­же связывают с нарушением питательного режима лесов. Выдви­нут ряд гипотез, объясняющих причины возникновения этого ти­па повреждений лесов (Evers, Huettl, 1991).

•  Интенсивные атмосферные выпадения азота, а также повы­шенные концентрации углекислого газа в атмосфере могут сти­мулировать рост деревьев, что влечет за собой более высокую потребность растений в магнии и кальции, их активному погло­щению и долговременной иммобилизации в деревьях.

•  Интенсивные атмосферные выпадения азота стимулируют раз­ложение гумуса, что ведет к мобилизации азота в почве. Таким образом, доступного азота в почве становится больше, чем не­обходимо для растений. Не поглощенный растениями азот вы­мывается из корнеобитаемых горизонтов в форме нитратов, увеличивая нисходящую миграцию основных катионов. Повы­шенные концентрации аммиачного азота, который трансфор­мируется в нитратный азот, приводят к подкислению почв. Ес­ли аммиачный азот становится основным источником доступ­ного азота, его антагонистическое действие может привести к снижению интенсивности поглощения магния, кальция и калия и подкислению ризосферы из-за активного поглощения расте­ниями аммиачного азота.

•  Процесс подкисления почв, вызванный выпадениями кислото­образующих веществ из атмосферы, также приводит к выщела­чиванию магния и кальция из почвы. Подкисление почв может способствовать проявлению антагонистического действия алю­миния на поглощение основных катионов.

•  В результате прямого воздействия воздушного загрязнения и кислых осадков ткани ассимилирующих органов лесных расте­ний обедняются магнием, калием, кальцием, цинком и марган­цем в результате их выщелачивания.

Так было установлено, что в лесах, подверженных выпаду металлургического комбината в районе города Новокузнецка происходят следующие серьезные нарушения питательного режима:

• изменяется состав атмосферных выпадений − источника пита­ния лесов;

• снижается эффективность использования атмосферной со­ставляющей питательного режима в результате выпадения из сообщества лишайников и мохообразных, которые спо­собны концентрировать элементы питания из атмосферы, где они находятся в рассеянном состоянии, и постепенно «пе­редавать» их растениям с корневой стратегией питания при разложении;

• возрастает кислотность почв и почвенных растворов и интенси­фицируется выщелачивание элементов питания из органоген­ных горизонтов почв;

• обеднение почв доступными для растений соединениями эле­ментов питания может быть обусловлено также нарушением микоризы и снижением интенсивности разложения органичес­кого вещества в результате ингибирования микроорганизмов (главным образом, грибов) тяжелыми металлами;

• наблюдается дисбаланс в питании ели и сосны, выражающийся в обеднении хвои кальцием, магнием (вплоть до дефицита), марганцем и цинком и обогащении наиболее мобильными эле­ментами, азотом, калием, фосфором, а также поллютантами − серой.

Таким образом, в настоящее время специфика функциониро­вания лесов, широко представленных в Кемеровской области, определяется, с одной стороны, сложившимися природными механизмами, с другой стороны − продолжительным и интенсив­ным действием антропогенных факторов. Поскольку одной из основных причин повреждения лесов в условиях распространяю­щегося аэротехногенного загрязнения является нарушение их пи­тания, поиски путей направленного регулирования питательного режима, позволяющего поддерживать жизнеспособность лесов, сохранять сырьевые, природоохранные и социальные функции и предотвращать их деградацию, приобре­тают особую актуальность.

Литература

1. Evers F., Huettl R. A new fertilizaishion strayegy in declining forests // management of nutrition in forest / Ed. H. W. Zoettl an R. F. Huetl. Dordrecht. – Kluwer, 1991. –
P. 495–508.

2. Карпачевский, свойств почвы / . – М. : ГЕОС, 1997. – 170 с.