Поглощение элементов сосной и елью в лесных экосистемах северной тайги в условиях атмосферного загрязнения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.27, кандидат биологических наук Щербенко, Татьяна Анатольевна

• Щербенко, Татьяна Анатольевна
• кандидат биологических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Щербенко, Татьяна Анатольевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. БИОЛОГИЧЕСКАЯ МИГРАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ В ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ В УСЛОВИЯХ АТМОСФЕРНОГО ПРОМЫШЛЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР).

1.1. Первичная продуктивность лесных экосистем.

1.1.1. Основные понятия.

1.1.2. Зональные закономерности изменений продуктивности.

1.2. Элементный состав растений.

1.2.1. Основные факторы формирования элементного состава древесных растений бореальных лесов.

1.2.2. Пути и механизмы поступления элементов в растения.

1.2.3. Поглощение тяжелых металлов растениями.

1.2.4. Физиологическая роль, дефицит и токсичность элементов в растениях.

1.2.5. Фитоиндикация и фитомониторинг.

1.3. Миграция элементов в лесных экосистемах.

1.3.1. Атмосферная миграция.

1.3.2. Внутрипочвенная миграция.

1.3.3. Биологическая миграция.

1.4. Биологическая миграция элементов в лесных экосистемах Кольского полуострова.

1.4.1. Влияние природных и антропогенных факторов.

1.4.2. Сосновые леса.

1.4.3. Еловые леса.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Природные условия Кольского полуострова.

2.1.1. Климат'.

2.1.2. Рельеф.

2.1.3. Почвообразующие породы.

2.1.4. Растительность.

2.1.5. Почвы.

2.2. Атмосферное загрязнение.

2.3. Объекты исследований.

2.4. Методы исследований.

2.4.1. Полевые методы.

2.4.2. Лабораторные методы.

2.4.3. Статистические методы.

ГЛАВА 3. ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ РАСТЕНИЙ.

3.1. Сосновые леса.

3.1.1. Хвоя.

3.1.2. Ветви.

3.1.3. Кора.

3.1.4. Древесина.

3.1.5. Аккумуляция тяжелых металлов в биомассе сосны.

3.2. Еловые леса.

3.2.1. Хвоя.

3.2.2. Ветви.

3.2.3. Кора.

3.2.4. Древесина.

3.2.5. Аккумуляция тяжелых металлов в биомассе ели.

3.3. Сравнительный анализ элементного состава сосны и ели.

3.4. Динамика содержания поллютантов в хвое сосны и ели в лесных экосистемах окрестностей комбинатов.

ГЛАВА 4. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ДОСТУПНЫХ ДЛЯ РАСТЕНИЙ СОЕДИНЕНИЙ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ.

4.1. Подзолы сосновых лесов в окрестностях ГМК «Печенганикель».

4.1.1. Кислотность.

4.1.2. Содержание углерода и азота.

4.1.3. Содержание доступных для растений тяжелых металлов.

4.1.4. Запасы доступных соединений тяжелых металлов в подзолах.

4.2. Подзолы еловых лесов в окрестностях ГМК «Североникель».

4.2.1. Кислотность.

4.2.2. Содержание углерода и азота.

4.2.3. Содержание доступных для растений тяжелых металлов.

4.1.4. Запасы доступных соединений тяжелых металлов в подзолах.

4.3. Сравнительный анализ состояния подзолов сосновых и еловых лесов в зонах влияния комбинатов.

ГЛАВА 5. СВЯЗЬ СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В РАСТЕНИЯХ И ПОЧВАХ.

5.1. Обеспеченность элементами питания.

5.2. Связь содержания тяжелых металлов в деревьях и в почвах сосновых и еловых лесов в условиях атмосферного загрязнения.

5.5.1. Корреляционный анализ.

5.5.1. Регрессионный анализ.

5.3. Соотношение запасов тяжелых металлов в биомассе деревьев и в почвах сосновых и еловых лесов в условиях атмосферного загрязнения.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Поглощение элементов сосной и елью в лесных экосистемах северной тайги в условиях атмосферного загрязнения»

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 19701990-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 al., 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 1 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 фцктора. Атмосферное промышленное загрязнение вызывает нарушения взаимосвязей компонентов рнурри 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:

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

2. 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.

3. Проанализировать аккумуляцию элементов питания и элементов-загрязнителей в биомассе сосны и ели и ее изменение под воздействием загрязнения.

4. Оценить содержание и запасы доступных для растений соединений тяжелых металлов в подзолах по градиентам загрязнения.

5. 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).

Заключение диссертации по теме «Почвоведение», Щербенко, Татьяна Анатольевна

выводы

1. Сосна и ель фоновых районов Кольского полуострова содержат максимальное количество азота и серы в хвое, калия и магния - в хвое и мелких ветвях, кальция - в многолетней хвое, цинка - в хвое и ветвях, кадмия - в ветвях и коре, никеля, меди и свинца - в коре. Древесина отличается минимальным содержанием всех элементов. Ель почти вдвое обогащена кальцием, а ее многолетние органы - цинком по сравнению с сосной.

2. Атмосферное загрязнение сопровождается значительными изменениями элементного состава ассимилирующих и многолетних органов сосны и ели, проявляющимися в накоплении никеля, меди, кадмия, свинца и серы и обеднении цинком. Хвоя ели вблизи источника загрязнения обеднена также кальцием и магнием и обогащена калием и азотом.

3. Возрастные изменения элементного состава хвои характеризуются ее обогащением малоподвижными (кальций) и обеднением подвижными (калий, азот, магний, цинк) элементами и сохраняются в условиях загрязнения, дополняясь выраженным накоплением никеля, меди и свинца для сосны и серы для ели.

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

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

6. С ростом техногенной нагрузки содержание доступных для растений соединений никеля и меди в подстилках возрастает на 2 порядка. Содержание кадмия увеличивается в 2-4 раза, свинца — в 2-8 раз. Загрязненные подстилки в 2-3 раза обедняются цинком. Повышенное содержание никеля и меди в подстилке, превышающее критические пределы, наблюдается в радиусе не менее 40 км от комбината «Печенганикель» и 100 км от комбината «Североникель».

7. С помощью корреляционного и регрессионного анализов обнаружена прямая связь содержания никеля и меди в хвое, ветвях, коре и древесине сосны и ели с содержанием доступных соединений металлов в корнеобитаемом слое почв, ослабевающая с глубиной.

8. Аккумуляция тяжелых металлов и дисбаланс элементов питания вследствие атмосферного загрязнения вносят значительный вклад в техногенную трансформацию фитоценозов в лесных экосистемах. Несмотря на сокращение промышленных выбросов, накопленные запасы тяжелых металлов в почвах тормозят восстановление лесных экосистем.

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Щербенко, Татьяна Анатольевна, 2008 год

1. Агрохимические методы исследования почв. М.: Наука, 1975. С. 392-393.

2. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. JL: Агропромиздат, 1987. 142 с.

3. Альберт Э. Избирательная токсичность. М.: Мир, 1971. 431 с.

4. Аржанова B.C., Елпатьевский П.В., Кравцова В.М., Толстова JI.M. Геохимическая дендрохронология фоновых и импактных эколого-геохимических условий // Мониторинг фонового загрязнения природных сред. Вып. 4. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1987. С. 327-341.

5. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: МГУ, 1970. 487 с.

6. Базилевич Н.И. Биологическая продуктивность экосистем Северной Евразии. М.: Наука, 1993. 293 с.

7. Базилевич Н.И. Особенности круговорота зольных элементов и азота в некоторых почвенно-растительных зонах СССР // Почвоведение. 1955. № 4. С. 11-23.

8. Барбер С.А. Биологическая доступность питательных веществ в почве. М.: Агропромиздат, 1988. 376 с.

9. Белов Н.П., Барановская А.В. Почвы Мурманской области. Л.: Наука, 1969. 146 с.

10. Блатов И.А., Никишин В.И., Карасев Ю.А., Гончаров А.В., Миляев В.Б., Костин A.M. Новые направления в решении проблемы сокращения трансграничных переносов соединений серы на комбинате «Печенганикель» // Цветные металлы. 2001. №2. С. 76-79.

11. Ведрова Э. Ф. Влияние сосновых насаждений на свойства почв. Новосибирск: Наука, 1980. 95с.

12. Вернадский В.И. Биосфера. М.: Мысль, 1967. 348 с.

13. Влияние промышленного атмосферного загрязнения на сосновые леса Кольского полуострова. (Под ред. Б.Н. Норина т В.Т. Ярмишко). Л.: Изд-во БИН АН СССР, 1990. 195 с.1518