На правах рукописи
ПЕТУХОВА Анастасия Александровна
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА КИСЛОТНОСТИ, ЗАГРЯЗНЕНИЯ И ВОДНОЙ МИГРАЦИИ В УСЛОВИЯХ ЛЕСОПАРКОВ
МОСКВЫ И ПЕТРОЗАВОДСКА
Специальность: 03.02.08 – экология (биология)
03.02.13 – почвоведение
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Москва – 2013
Работа выполнена на кафедре экологии ФГБОУ ВПО «Российского государственного аграрного университета – МСХА имени »
Научный руководитель: доктор биологических
наук, профессор кафедры экологии ФГБОУ ВПО «Российского государственного аграрного университета – МСХА имени »
Официальные оппоненты: - доктор сельскохо-
зяйственных наук, профессор кафедры физической географии и геоэкологии ГБОУ ВПО МГПУ.
– кандидат биологических наук, заведующая кафедрой ландшафтной архитектуры и дизайна ФГБОУ ВПО РУДН
Ведущая организация: Факультет почвоведения ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет имени »
Защита состоится «30» октября 2013 г. в «16» час. «30» мин. на заседании диссертационного совета Д. 220.043.03 при «Российском государственном аграрном университете – МСХА имени », (тел./*****@***ru).
С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ФГБОУ ВПО РГАУ – МСХА имени .
Автореферат разослан «30» сентября 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Актуальность исследований. Генезис кислотности обусловлен ионами водорода и алюминия (, 1932; Г. Каппен, 1934; Г. Дайкухара, , 1947; , 1951, 1957; , 2004). Высокая кислотность почв агроландшафтов негативно влияет на рост и развитие возделываемых культур. Однако в лесных экосистемах очень высокая кислотность создается самой таежной биотой и связана с эффективной мобилизацией в раствор элементов питания. Кислотный механизм адаптации таежной биоты к суровым условиям существования предложен и обоснован , , (1989, 1996); позднее он подтвержден и дополнен и для северотаежных ландшафтов РФ (1993, 1995, 1996). Попадающие в экосистемы продукты антропогенеза (частицы пыли и сажи, содержащие ионы тяжелых металлов и иные вещества) также претерпевают трансформацию с участием органических кислот и миграцию (биогенную и водную). Например, ионы тяжелых металлов (ТМ) частично сорбируются на почвенно-геохимических барьерах, поступают в грибы, ягоды и природные воды, загрязняя их. В этой связи мониторинг состояния экосистем становится одним из приоритетных научных направлений. Несмотря на фактический материал, еще недостаточно раскрыта взаимосвязь кислотности почв подзолистого типа тайги с их загрязнением и водной миграцией. Этим вопросам и посвящена настоящая работа.
Цель исследований: провести экологическую оценку кислотности, загрязнения и водной миграции веществ в условиях некоторых лесопарков Москвы и Петрозаводска.
Для достижения цели были поставлены и выполнены следующие задачи:
1. Исследовать сезонную морфологию и свойства подзолов и дерново-подзолов, развитых на двучленах, в лесопарках (на вырубках) Лесной опытной дачи (ЛОД) РГАУ-МСХА имени и Петрозаводска;
2. Изучить динамику масштаба водной миграции ВОВ, их состав и кислотные свойства с помощью метода сорбционных лизиметров; обосновать на этой основе кислотный механизм трансформации почвенных минералов и мобилизацию в раствор химических элементов (в т. ч. ТМ);
3. Усовершенствовать методологию оценки загрязнения таежной экосистемы ионами тяжелых металлов с помощью предложенного автором индекса суммарного загрязнения Jсз (, с соавт., 2012);
4. Выявить и обосновать движущие силы трансформации гидрогелей Fe(OH)3 в иллювиально-железистых горизонтах подзола и дерново-подзола на двучленах и иccледовать формы миграции соединений Fe, некоторых тяжелых металлов в изучаемых почвах.
Научная новизна исследований. Впервые для разновозрастных сосново-лиственничных фаций ЛОД изучены морфология и свойства дерново-подзолов контактно-глееватых супесчаных, развитых на двучленных отложениях. Установлено наличие в их профилях двух подзолистых горизонтов: верхнего (элювиального Eh) и глубинного на контакте смены пород – элювиально-оглеенного (El’g).
При водной миграции ВОВ через сорбционный (минеральный) барьер – горизонт Вf подзола – установлено достоверное увеличение масс фульвокислот в составе ВОВ, что связано с сорбционным комплексообразованием и формированием здесь молекул фульвокислот (ФК) in situ. Здесь же наблюдается и трансформация гидрогелей Fe(OH)3: образуются устойчивые железо-фульватные комплексные соединения, мигрирующие в профиле без их разрушения.
Уточнено представление о генезисе биогенной кислотности таежной экосистемы на основе полученных сведений о формировании, составе и свойствах ВОВ. Роль ионов Al3+ в кислотности вторична, а молекулы угольной кислоты, как очень слабой, находятся вне конкуренции с более химически активными органическими кислотами и ФК.
Усовершенствована методология оценки загрязнения ионами тяжелых металлов таежной экосистемы (в настоящее время загрязнение оценивается только для одной подсистемы фации – почвы). В фациях лесопарка Петрозаводска, например, ионы ТМ в основном сорбируются на органогенном барьере (в мощном и оторфованном слое лесной подстилки), загрязняя ягоды и грибы. Здесь мониторинг ведется с 2002 г.
Практическая значимость исследований. Впервые для фаций ЛОД выполнена идентификация дерново-подзолов контактно-глееватых, развитых на двучленных отложениях. Последние способствуют активизации сезонного переувлажнения в супесчаном мини подзоле, усилению поверхностного оглеения (и мобилизации ВОВ из опада и лесной подстилки), изменению водного режима из элювиального (промывного) в периодически элювиально-застойный. Эти особенности почв на двучленах следует учитывать при лесовозобновлении и организации лесопитомников.
Уточнена концепция биогенной кислотности, что позволило углубить представление об источниках ионов Н+ в таежной экосистеме. Установлено, что наряду с гумусовыми веществами почв в таежных экосистемах имеется уникальный и динамичный механизм кислотообразования, реализующийся с помощью биогеохимического круговорота соединений углерода. С помощью низкомолекулярных ВОВ происходит эффективные трансформация веществ, мобилизация в раствор химических элементов и их миграция. Информация о формировании ВОВ, их составе и кислотных свойствах позволила расширить понимание процесса таежного гумусообразования. ВОВ способствуют самоочищению почв от загрязнителей и их дальней миграции в ландшафтах.
Усовершенствован индекс суммарного загрязнения Jсз таежной экосистемы. Он позволяет более полно оценить антропогенную нагрузку на фации лесопарка ЛОД (и иные экосистемы).
Уточнена эволюция почвенного покрова на вырубках в подзоне средней тайги (стационар в таежном лесопарке Петрозаводска) в направлении: подзол - подзол глееватый - подзол глеевый – болотно-подзолистая почва.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на заседаниях кафедры экологии в гг., на научных конференциях РГАУ-МСХА имени (секция экологии) в гг., а также на 6-м съезде ДОП в Петрозаводске (Институт Леса КарНЦ) в августе 2012 г. По результатам исследований опубликовано 6 научных работ и монография, в т. ч. 5 работ в журналах, рекомендуемых ВАК.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографии и приложения. Изложена на 132 страницах, содержит 30 таблиц, 12 рисунков и фотографий. Фактические материалы получены автором в период гг. Библиография включает 236 источников литературы, из них 43 на иностранных языках.
Благодарности. Автор благодарна своему учителю – профессору, д. б.н. за методическую помощь, научные консультации и поддержку при выполнении диссертационной работы; профессорам кафедры экологии РГАУ-МСХА имени – , , а также всему коллективу кафедры экологии.
Выносимые на защиту положения:
1. Исследована морфология и динамика химических свойств дерново-подзолов контактно-глееватых, развитых на двучленных породах, в катене (плакор - склон выположенного холма - подошва склона) ЛОД РГАУ-МСХА имени .
2. Уточнена концепция биогенной кислотности таежной экосистемы. Охарактеризована ее взаимосвязь с почвенной кислотностью, а также с трансформацией и миграцией ионов ТМ.
3. Предложен новый методологический подход при оценке антропогенного загрязнения таежной экосистемы с помощью расчетного индекса суммарного загрязнения Jсз. Он основан на экспериментальной оценке загрязнения почвы, биоты (опад растений, веточки, мхи и лишайники, кора деревьев), снегового покрова (аэральный привнос экотоксикантов, пыли, сажи) и масштаба водной нисходящей миграции изучаемых химических соединений.
4. Изучены движущие силы трансформации гидрогелей гидроксида железа в иллювиально-железистом горизонте подзола на двучленных отложениях лесопарка Петрозаводска (на вырубке). Отмечено резкое уменьшение эвапотранспирации и сезонное переувлажнение почв западин. Наблюдается интенсивная диффузия коллоидов и заиливание горизонтов Вf и El’g с сильным уплотнением профиля микро подзола в засушливые сезоны и постепенная трансформация подзолов в болотно-подзолистые почвы микро понижений (особенно интенсивно выражено в подзоне средней тайги).
5. Вместо луговых растительных сообществ в подзоне средней тайги на месте вырубок формируются заболоченные участки (фации черничников сфагновых) с порослью ели. Расширение кормовой базы здесь возможно только при комплексной мелиорации лесных почв, приуроченных к плакорам холмов и гряд.
Глава I. Методология изучения биогенной кислотности
и ее взаимосвязь с почвенной в экосистемах тайги
Рассматриваются особенности метода хроматографии при оценке компонентного состава нативных ВОВ экосистем тайги и выявлении их кислотных и комплексообразующих свойств (, , 1961,1962; , 1964; , 1965; , 1972, 1986; , 1972; , 1986; и др. 1972, 1984; , 1972, 1973, 1993, 2010). В дальнейшем модифицированная (1973, 1993) схема W. Forsyth использовалась нами комплексно: сначала активированный уголь в сорбционных лизиметрах (СЛ) сорбировал компоненты ВОВ и ФК из почвенных растворов, а затем в лаборатории из него были выделены фракции ФК в составе ВОВ. Систематизированы работы некоторых зарубежных авторов (F. J. Stevenson, 1994; G. Guggenberger a. W. Zech, 1994; W. S. Currie, J. D. Abe, W. H. Mc Dowel et al., 1996; W. S. Curie a. J. D. Aber, 1997; B. Michalzik, E. Matzner, 1999; H.-J. Schneider, A. Yatmirsky, 2000), изучавших ВОВ с помощью методов масс-спектрометрии, ЯМР, pyrolysis-field ionization mass spectrometry.
Обобщены сведения о формах почвенной кислотности (актуальной, обменной и гидролитической), роли ионов алюминия в обменной кислотности и методы их диагностики. Охарактеризована биогенная кислотность и причины, обусловливающие антропогенные «кислотные дожди» (, 1993; и др. 2011, 2012).
Охарактеризованы движущие силы миграции и трансформации веществ в почвах тайги, дана оценка водной миграции веществ с помощью МСЛ, проанализирована роль ТМ в загрязнении экосистем.
Глава II. Объекты и методы исследований
 |
Стационарная площадка «Лесная опытная дача» - ЛОД (рис. 1) расположена в лесопарке РГАУ-МСХА имени . Она включает почвенно-экологическую катену в квартале 7: плакор – склон холма южной экспозиции – подошва склона холма. Почвы катены – дерново-подзолы контактно-глееватые супесчаные на двучленных отложениях в сосняках-лиственничных с подростом клена; наземный травянистый покров представлен редкими лесными травами (, и др., 2010).
А В
Рисунок 1. Стационарная площадка в лесопарке ЛОД РГАУ-МСХА имени - профиль дерново-подзола контактно-глееватого супесчаного на двучленах весной (А – в начале мая 2011 - плакор; В - в июле 2012 – середина склона выположенного холма). Чётко видна фрагментарная вуализация подзолистого и иллювиально-железистого горизонтов компонентами ВОВ и их вынос в глубь почвы по миграционным тяжам.
Географически ЛОД расположена на водоразделе рек Яузы и Москвы-реки, занимая наиболее приподнятую часть территории с абсолютными отметками высот 165–175 м над у. м. с координатами 55,82° с. ш. и 37,56° в. д. В гг. здесь проводились почвенно-экологические (в том числе и лизиметрические) исследования под руководством : , , и другими. Лесотаксационная характеристика насаждений ЛОД в 1995–2001 гг. проведена и .
Стационарная площадка в лесопарке Петрозаводска (рис. 2) располагается на пологом склоне мореного увала южной экспозици. Здесь также была заложена почвенно-экологическая катена: плакор с ельником-мертвопокровным (с ненарушенными подзолами на двучленах) – вырубка в средней части склона увала в микро западине - и в нижней 1/3 склона увала (опушка). На «ключах» катены – в профилях подзолов - были установлены сорбционные лизиметры (СЛ) для изучения водной миграции ВОВ (, и др., 2011). Много мусора и кострищ. Отмечены вывалы ели. Профиль микро подзола трансформирован.
 |
А В С
Рисунок 2. Стационарная площадка в лесопарке Петрозаводска: А – средняя часть склона увала (микро западина): трансформированный профиль подзола контактно-глееватого песчаного на двучленных отложениях (вырубка) в июле 2010 г; В – тот же профиль подзола в 2002 году (через два года после несанкционированной рубки – начало мониторинга), : подзолистый горизонт ярко белесый – еще не завуалирован коллоидами и ВОВ); С – ненарушенный профиль подзола на двучленах (плакор, вырубка - июль 2010).
Методы исследований. При изучении масштаба миграции ВОВ с кислотными свойствами и оценки их участия в трансформации веществ подзолов на двучленах был использован метод сорбционных лизиметров (МСЛ - и др., 1996). СЛ на вырубке, в фации черничника-сфагнового лесопарка Петрозаводска закладывались в 2–х кратной повторности с июля 2010 г. по июль 2011 г., затем с июля 2011 по ноябрь 2011 гг. В сосново-лиственничных фациях ЛОД полевые опыты проводили также в сезонном цикле (период вегетации и осенне-весенний сезоны гг.). СЛ располагали под основными генетическими горизонтами. Десорбцию химических элементов из сорбентов осуществляли в статике: из катионита КУ-2 в Н+ форме – 1н. раствором HNO3, а из низкозольного активированного угля – 0,1н. раствором NaOH, водой. Определив концентрации химических элементов из всей массы сорбентов, делали расчет их масс и масштаба миграции на 1 м2. Химическое загрязнение таежных экосистем изучали по авторской методике (, и др., 2012). Ионы ТМ определяли на атомно-абсорбционном спектрофотометре ААС-3 (Германия), используя для настройки стандартные растворы. Коэффициент миграции (kмиг) рассчитывали по (1975); содержание органического углерода – по методу Тюрина с фотометрическим окончанием по ; актуальную кислотность почв (рН водной вытяжки) – потенциометрически на рН-метре, обменную кислотность по Дайкухара с 1М раствором КСl с последующим титрованием 0,1М NaOH, гидролитическую кислотность – по Каппену с 1М CH3COONa; ионы Al3+ – по Соколову. Достоверность результатов опытов проанализирована с помощью метода вариационной статистики (, 2010).
Глава III. Изучение экологической взаимосвязи кислотности
с процессами трансформации веществ в подзолах тайги
3.1. Оценка кислотности, физико-химических свойств и
морфологии дерново-подзолов и подзолов на двучленных отложениях
При оценке обменной кислотности изучаемых почв с хлоридом калия в лабораторном опыте отмечены следующие особенности (1):
(Почва)Al3+ + 3 КСl (реактив) ↔ (Почва)3К+ + AlCl3 (1)
Образовавшийся хлорид алюминия, является солью сильной кислоты и слабого основания; он подвергается кислотному гидролизу в растворе (2):
AlCl3 + 3 H2O ↔ Al(OH)3↓ + 3 HCl (2)
Этим и объясняется очень кислая реакция солевых вытяжек. Данная трактовка обменной кислотности правомерна для почв агроландшафтов таежной зоны. Для почв и экосистем тайги ситуация оказывается иной. В таежных экосистемах мобилизацию в раствор ионов Al3+ из твердой фазы почв осуществляют ВОВ, а КСl там просто нет. Рассмотрим такую реакцию (3):
(Почва) 8Al3+ + 6H+ + 6C2O42- ↔ (Почва)6H+ + Al-R + Al3+ +2Al2(C2O
В реакции (3) с раствором щавелевой кислоты кроме комплексных (Al-R) и гетерополярных (Al2(C2O4)3) солей алюминия в водном растворе сразу же образуются труднорастворимые гидрозоли гидроксида алюминия (ПР = 2,5·10-34), кинетически и термодинамически не устойчивые и выпадающие в осадок. При их взаимодействии с избытком ионов водорода (их источником являются молекулы ВОВ) постепенно вновь образуются ионы Al3+ (4):
3Al(OH)3 + 9H+ ↔ 3Al3+ + 9H2O (4),
которые в водном растворе опять гидратируются молекулами воды (5):
Al3+ + Н2О ↔ Al(OH)2+ + H+ (5)
Al(OH)2+ + Н2О ↔ Al(OH) 2+ + Н+
и раствор подкисляется. Из реакций (3 и 4) видно, что для вытеснения ионов алюминия из обменно поглощенного состояния затрачивается (теряется) заметная масса ионов водорода (величина рН уменьшается).
Таблица 1
Физико-химические свойства гор. А1/Eh (2-12 см) дерново-подзолов, развитых на двучленных отложениях ЛОД, отбор образцов – июль, 2011 г.
Квартал ЛОД | Главная порода | Содержание частиц менее 0,01 мм, % | Сорг, % | рНKCl | Al3+ мг/100 г | Доступные формы, мг/кг | |
Н2РО4- | К+ | ||||||
8 | дуб | 18,5 | 4,7±0,1 | 4,1±0,1 | 3,6±0,03 | 2,5±0,1 | 11,1±0,4 |
7 | сосна | 12,8 | 2,4±1,3 | 3,2±0,0 | 5,9±0,20 | 1,2±0,0 | 8,4±1,0 |
9 | сосна с березой | 14,2 | 2,5±1,0 | 3,0±0,1 | 8,4±0,43 | 1,9±0,1 | 10,4±2,0 |
Среднее для 3-х кварталов: x | 3,2±1,3 | 3,4 | 6,0 | 1,9 | 10,0 | ||
Среднее квадратичное отклонение σ | 1,3 | 0,6 | 2,4 | 0,7 | 1,4 | ||
Затем она частично пополняется при превращении соединений алюминия, включая и комплексообразование (так называемый рН–эффект – , 1986; , 1993). Значения величин гидролитической кислотности приведены в табл. 3, их максимум приурочен к верхним горизонтам.
Таблица 2
Значения величин рНKCl в горизонтах дерново-подзолов контактно-глееватых на двучленных отложениях ЛОД, отбор образцов – июль, 2011 г.
Квартал ЛОД | Пробная площадь | Ориентировочный возраст насаждений, лет | Горизонты изучаемых почв | ||
А1/Еh (2-12 см) | Eh (25-35см) | Bfтр (50-60 см) | |||
7 (сосна) | «Р» | 34 | 3,1±0,5 | 3,9±0,7 | 3,5±0,1 |
8 (лиственница) | «В» | 40 | 3,0±0,4 | 3,2±0,2 | 3,6±0,2 |
7 (сосна) | «П» | 122 | 3,1±0,3 | 3,7±0,9 | 3,9±0,1 |
Среднее по 3-м кварталам | x | 3,1 | 3,6 | 3,7 | |
Среднее квадратичное отклонение | σ | 0,1 | 0,3 | 0,2 |
Таблица 3
Гидролитическая кислотность (Нг, мг-экв. на 100 г.) в дерново-подзолах ЛОД, отбор образцов – июль, 2011 г.
Квартал ЛОД | Пробная площадь | Возраст, лет | Горизонты и глубина отбора образцов, см | ||
А1/Еh (2-12 см) | Eh (25-35см) | Bfтр (50-60 см) | |||
7 (сосна) | «Р» | 34 | 10,9±2,7 | 2,6±3,2 | 1,1±2,2 |
8 (лиственница) | «В» | 40 | 6,1±1,7 | 3,5±2,6 | 1,2±3,6 |
7 (сосна) | «П» | 122 | 13,3±3,4 | 3,0±0,5 | 1,3±0,6 |
Среднее значение | х | 10,1 | 3,0 | 1,2 | |
Среднее квадратичное отклонение | σ | 3,7 | 0,5 | 0,1 |
Следовательно, в подзолах протекают колебательные процессы мобилизации и иммобилизации ионов алюминия с участием ВОВ. Формы алюминия в подзолах весьма разнообразны и взаимосвязаны, что и было отмечено нами. Ионы алюминия являются токсичными для культурных растений в агроландшафтах тайги. Дело в том, что при подсыхании подзолов в летний и зимний сезоны коллоидные частицы Al(OH)3 дегидратируются и превращаются в окристаллизованные формы (Al2O3)x AlO2-H+, в которых ионы водорода способны к обмену с катионами К+, NH4+, Na+, Ca2+, Mn2+, Pb2+ в кислых почвенных растворах. Они компенсируют заряд потенциалопределяющих анионов коллоидов алюминия.
Вопросы генезиса дерново-подзолов и подзолов на двучленных отложениях стационаров, их морфология и химические свойства рассматриваются в работах , и др. (2011, 2012), а также (1972); (1975); , с соавт. (2012), с соавт. (2010) и других.
Морфология почв на двучленных породах исследована пока недостаточно. В этой связи нами дана характеристика морфологии дерново-подзолов, развитых на двучленных отложениях. В качестве примера взят один из «ключей» почвенно-экологической катены ЛОД.
3.2. Динамика масштаба миграции водорастворимых органических
веществ в почвах лесопарковых экосистем
Водная миграция веществ при промывном водном режиме играет важную роль в генезисе почв тайги (, 1965; , 1993).
Нисходящий вынос мигрантов в подстилающем тяжелом суглинке протекает по миграционным тяжам. Здесь масштаб миграции ВОВ минимальный: происходит их сорбция на барьере и минерализация молекул (табл. 4).
Таблица 4
Масштаб миграции ВОВ и их состав в дерново-подзолах контактно-глееватых супесчаных на двучленных отложениях ЛОД РГАУ-МСХА имени , гг.
Горизонт и глубина установки колонок, см | Объем воды в приемниках лизиметров, л | Сорг ВОВ, мг/л | Вынос Сорг ВОВ, г/м2 за 1 год | Сорг неспецифических органических веществ в составе ВОВ, % | Сорбция и минерализация ВОВ гор. А1, % к поступившей массе ВОВ | |||||
в приемниках вод | в водо-ацетоновом элюате угля | в аммиачном элюате с угля (ФС) | ||||||||
Стационарные площадки ЛОД | ||||||||||
Квартал 7. Плакор холма. Наблюдения 1 год. | ||||||||||
А0(О), 2 | 1,74 | 11,6 | 537 | 205 | 55,9 | 72,4 | - | |||
Eh, 15 | 1,43 | 8,8 | 204 | 372 | 43,4 | 35,4 | 22,4 | |||
Ehg, 28 | 0,84 | 15,6 | 115 | 227 | 25,7 | 33,6 | 40,8 | |||
Квартал 7. Наблюдения в период вегетации: 05 июня – 21 октября. | ||||||||||
А0(О), 2 | 0,25 | 1.4 | 89,5 | 137 | 17,1 | 39,5 | - | |||
Ehg, 16 | 0,22 | 3.6 | 37,9 | 88,2 | 9,5 | 30,1 | 44,4 | |||
Квартал 7. Наблюдения в абиогенный период: 21 октября - 21 мая. | ||||||||||
А0(О), 2 | 1,22 | 4,8 | 314 | 184,2 | 37,5 | 63,0 | - | |||
Ehg, 29 | 1,37 | 11,5 | 176 | 219,8 | 29,8 | 44,5 | 20,5 | |||
Примечание. Сорбция ВОВ почвой отражает соотношение их масс на входе и выходе из генетического горизонта при миграции; заметная масса ВОВ при этом биодеградирует до диоксида углерода, воды и минеральных солей.
Белёсые «языки» в гор. El/Bg образуются вследствие привноса тонкодисперсных частиц под защитой ВОВ (лессиважа) из выше лежащих горизонтов Вfh и El’g или при реализации элювиально-глеевого процесса in situ: протекает кислотный гидролиз минералов гор. В2 и вынос продуктов почвообразования как после таяния снега, так и осенью – в период затяжных дождей. Необходимо подчеркнуть, что биодеградация ВОВ в таежной экосистеме характеризует, в известной мере, экологическую взаимосвязь между таёжной древесно-кустарничковой растительностью, мхами и лишайниками, с одной стороны, и микроорганизмами – с другой. ВОВ выполняют в экосистемах тайги следующие функции: педогенные, биогеохимические и гидрохимические (, 1993, 2010).
Наибольший масштаб миграции ВОВ в дерново-подзолах ЛОД наблюдается в осенне-весенний сезон, достигая почти 40 г/м2 Сорг. В летне-осенний период вынос ВОВ в 2,2 раза меньше из гор. А0(О), что связано с активной биодеградацией компонентов ВОВ и формированием молекул ФК.
В подзолах Петрозаводска масштаб миграции ВОВ меньше, в составе ВОВ преобладают индивидуальные органические вещества (кислоты).
Начальный этап процесса гумификации растительного опада в лесопарках подзоны южной тайги в новые органические вещества характеризуется формированием ионно-молекулярных форм ВОВ (прежде всего ФК). Процессы конденсации и полимеризации молекул ВОВ в сложные структуры заторможены вследствие дефицита ионов Са2+, азота и избытка ионов водорода. Данные процессы завершаются стадией образования химически активных водорастворимых ФК. В подзоне средней тайги, например в лесной подстилке, образуются в основном низкомолекулярные органические кислоты и полифенолы (, 1973, 1993; , 1972; и др., 1976).
3.3. Масштаб и формы миграции тяжелых металлов в нарушенных
и нативных подзолах на двучленах в лесопарках тайги
Движущими силами водной миграции ионов ТМ в подзолах на двучленах являются высокая кислотность, оглеение по всему профилю, устойчивая мобилизация ВОВ в раствор и застойно-промывной водный режим почв. В этой связи нами была изучена динамика содержания ТМ в почвах ЛОД.
Таблица 5
Динамика валового содержания ТМ в дерново-подзолах на двучленах при мониторинге лесных и лесопарковых фаций гг., мг/кг
Отбор образцов, см | Сd2+ | Pb2+ | Zn2+ | Cu2+ | Ni2+ | |||||
ЛОД. Плакор холма, фация сосны; отбор образцов почвы 5 июля 2008 г.* | ||||||||||
А1h/Eh 2-12 | 0,27 ±0,07 | 5,1 ±0,7 | 34,4 ±12,1 | 17,4 ±3,4 | 0,26 ±0,09 | |||||
Еhg 16-26 | 0,18 ±0,04 | 2,7 ±0,4 | 18,3 ±8,8 | 19,1 ±4,7 | 0,70 ±0,08 | |||||
Egh 39-42 | 0,11 ±0,03 | 0,15 ±0,02 | 9,4 ±2,5 | 8,3 ±3,2 | 1,17 ±0,13 | |||||
ЛОД. Плакор холма, фация сосны; отбор образцов почвы 7 июля 2011 г. | ||||||||||
А1h/Eh 2-10 | 0,22 ±0,04 | 89,2 ±18,3 | 21,9 ±2,6 | 12,9 2,6 | Не опр. | |||||
ЛОД. Плакор холма, фация сосны; отбор образцов почвы 7 июля 2012 г. | ||||||||||
А1h /Eh2-12 | 0,36 ±0,08 | 12,7 ±1,9 | 61,2 ±14,3 | 21,5±4,9 | 0,43 ±0,08 | |||||
Еhg 16-26 | 0,27 ±0,03 | 5,9 ±1,4 | 31,1 ±7,1 | 22,2 ±5,6 | 0,26 ±0,06 | |||||
Egh 39-42 | 0,12 ±0,01 | 0,9 ±0,04 | 11,8 ±3,4 | 10,7 ±4,3 | 0,87 ±0,23 | |||||
*Время отбора проб почвы; в работе участвовала дипломница Наумова Елена.
Отмечено, что по сравнению с 2008 г. в 2012 г. в дерново-подзолах ЛОД мегаполиса достоверно увеличилось валовое содержание Zn, Ni, Cd, Cu, которые с помощью ВОВ активно мобилизуются в раствор и включаются в потоки миграции (биогенный и водный), табл. 5, 6. Наибольшая аккумуляция ТМ отмечена в верхних генетических горизонтах дерново-подзолов: ложном гумусово-аккумулятивном и элювиальном. Их выщелачивание замедленно.
Таблица 6
Валовое содержание тяжелых металлов в осадке на беззольном бумажном фильтре, после фильтрования снеговой воды (ЛОД, 27.03.2011 г.)
Номер образца | Cd | РЬ | Zn | Сu |
мг/л | ||||
1 | 0,013 | 0,51 | 2,33 | 0,95 |
2 | 0,023 | 0,50 | 14,0 | 2,10 |
3 | 0,026 | 0,85 | 4,79 | 1,64 |
Среднее х±σ | 0,02±6,8·10-3 | 0,5±0,012 | 7,04±6,15 | 1,56±0,58 |
Установлено, что оторфованные лесные подстилки таежного лесопарка Петрозаводска, с одной стороны, являются весьма емкими поглотителями сажи, частиц пыли и влаги, а с другой – источниками ВОВ и ионов ТМ, загрязняя грибы и ягоды. В западине (на вырубке) kмиг оказался максимально высоким у Pb (968), Zn (3125), Cd (4118). В автономном элементарном геохимическом ландшафте (ЭГЛ - на плакоре) kмиг самый высокий у свинца (4166) и немного меньше у кадмия (2292), табл. 7.
Таблица 7
Коэффициенты миграции kмиг химических элементов в горизонтах подзолов, развитых на двучленах, в фациях таежного лесопарка Петрозаводска, 2011 г.
Глубина установки лизиметров, см | Сухой остаток, г/л | Сорг ВОВ | Fe | Pb | Zn | Cu | Cd |
kмиг по Перельману* | |||||||
Р. Кар-1. Подзол иллювиально-железистый на двучленах под ельником мертвопокровным (плакор: автономный ЭГЛ) | |||||||
A0т 3 | 0,12 | 322 | 6,7 | 4166 | 287 | 637 | 2292 |
Вf 36 | 0,08 | 215 | 5,0 | 1250 | 129 | 588 | 1875 |
Р. Кар-2. Подзол контактно-глееватый под черничником сфагновым (западина, вырубка: транс-аккумулятивный ЭГЛ) | |||||||
A0тп 7 | 0,17 | 793 | 5,9 | 968 | 3125 | 519 | 4118 |
Вftr 36 | 0,23 | 278 | 6,4 | 87 | 544 | 307 | 98 |
Р. Кар-3. Подзол контактно-глееватый под ельником-черничником (нижняя 1/3 склона – зона разгрузки мигрантов – транс-элювиальный ЭГЛ) | |||||||
A0тп 5 | 0,29 | 370 | 3,7 | 448 | 216 | 219 | 3218 |
Вftr 40 | 0,34 | 124 | 2,0 | 32 | 101 | 363 | 342 |
* kмиг по Перельману (1961) - отношение содержания элемента в минеральном остатке воды к его содержанию в горных породах, в которых происходит формирование этих вод.
Отмечено, что водная миграция в профиле супесчаного микро подзола имеет нисходяще-восходящую направленность. В результате чего формируется иллювиально-железистый горизонт. ВОВ на вырубке его трансформируют.
Глава IV. Новая методология оценки химического загрязнения
лесопарковой экосистемы тайги ионами тяжелых металлов
4.1 . Оценка загрязнения почв и фаций Лесной опытной дачи
В крупных городах мусоросжигательные заводы, котельные и автотранспорт являются источниками ртути, диоксинов, бенз(a)пирена и ТМ. Важную роль в этих процессах играют аэральные выпады «кислотных дождей», способствуя диспергации частиц сажи, пыли и которые можно выявить при снеговой съемке или с помощью методов биоиндикации поврежденных растений, лишайников, мхов и почвенных живых организмов. Антропогенные выпадения в экосистемах тайги способствуют загрязнению ягод и грибов, используемых людьми в пищу, а растений - для народной медицины. Леса и лесопарки становятся экологически опасными для людей. Источниками ТМ являются также вещества природного генезиса, например, горизонты почв, пород. Их аддитивное действие с продуктами антропогенеза заметно интенсифицирует болезни и исчезновение многих видов растений, животных. Как следствие, патогенные микроорганизмы получают более быстрый доступ к человеческой популяции, минуя биологические барьеры вымерших живых организмов. В этой связи экологическую ситуацию нужно оценивать более полно - на экосистемном уровне.
 |  |
Отмечено, что в водных вытяжках из растительного опада и вегетативных органов растений (рис. 3) содержатся очень высокие концентрации ТМ.
Рисунок 3. Концентрация ТМ (мг/л) в водных вытяжках из органов растений. Отбор проб – в конце марта 2011 г.
В настоящее время для характеристики загрязнения, например, почвенного покрова применяется показатель суммарного загрязнения Jзп (Ю. Сает, 1989):
Jзп = Σkн – (n,
kн – коэффициент накопления ТМ в гумусово-аккумулятивном горизонте почвы, который рассчитывается на основе фактических данных: kн = mтм в загр./mтм фон.
(n-1) – эмпирический показатель; n – число изучаемых ТМ.
Выражение (6) является частным, поскольку при оценке загрязнения учитывается только один компонент экосистемы – почва, а некоторые потоки мигрантов в фациях оказываются не учтенными. Причем, при эко-токсикологических изысканиях преобладает санитарно-гигиенический подход (соответственно и нормативы), которые не затрагивают почвенно-геохимическую трансформацию загрязнителей и продуктов почвообразования в ландшафтах.
Учитывая вышесказанное, нами предложено иное выражение (7), которое учитывает количество ионов ТМ в основных компонентах экосистемы не только в почве, а и в биоте, аэральных выпадах (по снеговой съемке) и их отчуждаемую массу за счет водной миграции и сорбции в почве. При этом вместо вычитаемого (n-1) мы вводим другой параметр: (1+ (n/n-1)) – слагаемое.
В подзолах, развитых на двучленных породах, содержание химических загрязнителей определяется нами не в одном (верхнем) горизонте, как при почвенно-агрохимических изысканиях, а во всем профиле супесчаного подзола на двучленах (массы ВОВ и гидрозоли гидроксида Fe активно участвуют в биогеохимическом круговороте веществ и превращении экотоксикантов).
Таким образом, нами сделана попытка интегральной оценки химического загрязнения экосистемы ЛОД с помощью индекса суммарного загрязнения на примере ТМ (или модуля нагрузки) компонентов экосистемы по выражению (7):
Jзэ = Σkзб + (1+ (n/n-1)) + Σkзп + (1+ (n/n-1)) +
Σkзс + (1+ (n/n-1)) - ΣМмиг + (1+ (n/n-,
где Jзэ – индекс суммарного загрязнения экосистемы (по количеству изученных ее компонентов – почв, растительности, вод, снега, водной миграции) и числу экотоксикантов; в нашем опыте - ТМ за конкретный период;
Σkзб + (1+ (n/n-1)) – суммарный коэффициент химического загрязнения биоты (растений, лесной подстилки, растительного опада и корней), например, ионами тяжелых металлов (ТМ) - Pb2+, Cd 2+, Cu2+, Zn2+; здесь n = 4; kзб = mраст/mпочва;
Σkзп + (1+ (n/n-1)) - суммарный коэффициент химического загрязнения почвы, как компонента и продукта экосистемы, теми же ТМ; kзп = mтм в загр./mтм фон;
Σзс + (1+ (n/n-1)) – химическое загрязнение снега аэральными выпадениями в условно абиотический период; концентрацию экотоксикантов в талой воде следует умножить на массу воды (согласно запасам снега при снеговой съемке на 1 м2), чтобы получить искомую массу загрязнителей на единице площади; для расчета Jзс находят соотношение масс ТМ в загрязненной и фоновой (центральная часть ЛОД) массах снега;
ΣМмиг + (1+ (n/n-1)) - масштаб водной миграции ионов ТМ с лизиметрическими водами в профиле мини подзола лесопарковой фации ЛОД за 1 год. Этот показатель отражает долю наиболее миграционно способных форм экотоксикантов. Для ионов ТМ – это органоминеральные комплексные и иные соединения.
Ряд авторов считают, что водная миграция ТМ в форме комплексных органоминеральных соединений достигает весьма небольших значений; в основном в профиле подзолистых почв протекает миграция тонкодисперсных частиц пыли под защитой ВОВ. По нашим данным, например, водная миграция Рb (34,4 мг/м2) в слое 0-20 см составляет 0,13% за 1 год от валового содержания этого элемента в верхнем горизонте почвы. Отмечена прогрессирующая аккумуляция Рb в фациях ЛОД. При этом в подзолах лесопарка Петрозаводска ТМ накапливаются в мощной оторфованной лесной подстилке, по западинам и на вырубках. В подзолах ЛОД частицы пыли и сажи оседают на небольшой по мощности растительный опад. Весной, после таяния снега, загрязнители быстро попадают в верхний горизонт, обогащенный компонентами ВОВ и почвенными минералами. Здесь и происходит сорбция ТМ, дальнейшая их трансформация и миграция при активном участии продуктов почвообразования – ВОВ и соединения Fe (табл. 3).
Сопоставление форм ТМ с аналогичным в частицах пыли показало, что содержание Сu в пыли в 222,6 раза больше, чем в водорастворимой форме; Zn – в 156,4 раза; Pb – в 62,8 раза; Cd – в 7,8 раза. В 2011 году загрязнение снегового покрова ЛОД изучали вблизи дороги и АЗС (точки 1, 5-7) и в глубине лесопарка (точки 2, 3). Содержание водорастворимых форм, например, ионов Cd2+ возросло в сравнении с 2008 годом в 56,7 раза; Сu – более чем в 104 раз; Zn - в 7555 раз; и Pb – в 50 раз. Выявлено очаговое, но не сплошное загрязнение фаций и почв. Подобные флуктуации обусловлены составом древостоя, рельефом территории ЛОД и ветрами.
Анализируя результаты опытов с учетом предложенных факторов, отметим, что в настоящее время оно не может быть охарактеризовано в полной мере: недостаточно фактических данных. В то же время рассчитанный Jсз лесопарковой фации ЛОД по двум компонентам – почве и биоте (лесной подстилке) – оказался равным более 250 единиц. Предлагается шкала загрязнений экосистемы тайги по Jсз: 0-50 – не загрязненная; 51-150 – слабозагрязненная; 151-250 – средне загрязненная; 251-350 – сильнозагрязненная; 351-450 – очень сильнозагрязненная; 451-500 – экосистема полностью деградирует. В этом направлении необходимы дальнейшие изыскания.
Выводы
1. В сосново-лиственничных фациях ЛОД – в катене (плакор-склон-подошва склона холма) впервые выделены при картировании и изучены морфология, химические свойства дерново-подзолов контактно-глееватых супесчаных, развитых на двучленных отложениях. Данные почвы отличают очень высокая обменная и актуальная кислотности, обусловленные ионами Н+ и Al3+ (рНксl, например, достигает 3,0-3,9), содержание обменного Al3+ - 3,7-8,4 мг/100 г.
2. Исследованы сезонный и годовой масштаб водной миграции ВОВ в дерново-подзолах и подзолах на двучленах в лесопарковых катенах ЛОД и Петрозаводска с помощью метода сорбционных лизиметров. Из лесной подстилки в подзолах на двучленах лесопарка средней тайги вынос Сорг ВОВ составляет в среднем 10,9 г/м2, вглубь профиля проникает 7,2 г/м2 Сорг (наблюдения с июля 2011 по ноябрь 2011 г.) – это осенний пик миграции; в дерново-подзолах ЛОД (годовой цикл наблюдений) на плакоре вынос ВОВ составляет 3,8-10,1, а в средней части склона холма – 3,5-12,3 г/м2. Нисходящая водная миграция продуктов почвообразования происходит в оглеенном профиле. В гор. El’g подзола Петрозаводска выявлены «миграционные тяжи» светло голубого цвета, косо ориентированные вглубь почвы и в виде бурой «рубашки» окруженные гидрогелями гидроксида железа. При подсыхании гор. Elhg и Вfhg сильно уплотняются, наблюдается сегрегация соединений Fe и Mn в мелкие конкреции. В подзоле ЛОД миграционные тяжи (преимущественные пути миграции) имеют серый цвет. При прохождении иллювиально-железистого барьера в составе ВОВ достоверно увеличивается содержание ФК, что связано с комплексообразованием и трансформацией гидрогелей Fe(OH)3 в подзолах на вырубках.
3. Уточнено положение о биогенной кислотности таежных экосистем, которая отражает один из экологических механизмов адаптации групп живых организмов к неблагоприятным условиям существования.
4. В транс-элювиальных геохимических ландшафтах лесопарков ЛОД и Петрозаводска активно выражен боковой (латеральный) вынос мигрантов, который приводит к формированию очень мощного контактно-осветленного горизонта Elg/Bg. Оподзоливание здесь характеризуется физико-химической направленностью элювиально-глеевого процесса в отличие от гор. Ehg, развитие которого связано с биогеохимической миграцией веществ. На элювиально-оглеенном барьере изменяется и форма миграции Fe, Si, Al, Mn: наряду с ионами, «под защитой» ВОВ мигрируют и коллоиды. В результате восходящей миграции происходит заиливание песчаного субпрофиля, усиление его оглеения (резкое уменьшение эвапотранспирации) и трансформация подзола сначала в глееватый, затем глеевый подзол и в болотно-подзолистую почву.
5. Предложена комплексная оценка химического загрязнения южно-таежной лесопарковой экосистемы с помощью индекса суммарного загрязнения Jсз на примере ЛОД РГАУ-МСХА имени , который включает диагностику загрязнения почвы, растительности (коры, хвоинок, опада, лесной подстилки), поверхностных природных вод, снега и водной миграции изучаемых загрязнителей (в данном случае некоторых ТМ). Установлен средний уровень загрязнения. Мониторинг на ЛОД показал, что с 2008 года содержание Cu в пыли увеличилось в 222,6 раза (по сравнению с водорастворимой фазой аэрозольных выпадений); Zn – в 156,4 раза; Pb – 62,8 раза; Cd – в 7,8 раза. При этом концентрация водорастворимых форм ТМ возросла в 2011 г. для ионов Cd2+ в 56,7 раза; Cu2+ - более чем на 4 порядка; Zn2+ - в 7555 раза и Pb2+ - в 50 раз. Растения ЛОД активно поглощают частицы пыли, сажи и аэрозоли «кислотных дождей», очищая атмосферный воздух. В дальнейшем растительный покров сосредотачивает загрязнители в подкроновых пространствах; отмечаются болезни и гибель древостоя.
Рекомендации производству
При лесовосстановлении в условиях средней тайги (территория южной части Карелии) следует учитывать двучленность сложения профилей почв, которая способствует их сезонному переувлажнению, развитию анаэробиозиса, формированию закисных форм Fe, Mn. Это весьма негативно влияет на развитие саженцев древесных пород. Улучшение кормовой базы животноводства в Карелии после сведения лесных массивов должно опираться на комплексную мелиорацию. Следует учесть, что на вырубках в условиях средней тайги, формируются переувлажненные болотно-подзолистые почвы.
На вырубках в подзоне южной тайги наблюдается формирование травянистых ассоциаций и лугов. Мелиорация и агротехнические мероприятия (при внесении удобрений, известковании почв и подсеве трав) способствуют в подзоне южной тайги созданию высокопродуктивных лугов.
Список работ, опубликованных по теме диссертации
в изданиях ВАК РФ
1. , , Петухова -геохимическая оценка почв и лесопарковых фаций Петрозаводска // Известия ТСХА. – 2011. – Вып. 4 – С. 30-43.
2. , , Грачев оценка процессов глее - и подзолообразования в экосистемах тайги // Известия ТСХА. 2011. – Вып. 5. – С. 13-26.
3. , , Грачев миграционных потоков тяжелых металлов для диагностики загрязнения таежных экосистем // Известия ТСХА. – 2012. – Вып. 2. – С. 20-31.
4. , , и др. Исследование влияния почвенной биогенной кислотности на подзолообразование // Известия ТСХА. – 2012. – Вып. 6. – С. 142-158.
5. I. M. Yashin, I. I. Vasenev, R. Valentini, A. A. Petukhova, L. P. Kogut. Studies of the influence of soil biogenic acidity on podzol formation // Izvestiya TSKhA, sp. issue, 2013. – P. 180-196.
Монография
6. , , Когут -геохимическая диагностика почв Европейского Севера России. Монография. Под ред. . М.: РГАУ-МСХА. – 2012. – 158 с.
В сборниках научных трудов и материалах конференций
7. , , Пескарев барьерно-геохимических функций подзолов на двучленных породах в лесопарковых фациях тайги. Материалы докладов VI съезда общества почвоведов им. «Почвы России: современное состояние и перспективы изучения и использования». Лесное почвоведение. Петрозаводск. 2012. – С. 258-260.
Автореферат диссертации
Петуховой Анастасии Александровны
Отпечатано с готового оригинал-макета
Формат 60х841/16. Усл. печ. л. 1,9. Тираж 100 экз. Заказ
Издательство РГАУ-МСХА имени
Москва,
