Фитогенное варьирование состава атмосферных выпадений и почвенных вод северотаежных лесов в условиях аэротехногенного загрязнения

Глава 1. Современное состояние проблемы
В обзоре литературы по теме диссертации рассматриваются разработанные зарубежными и отечественными авторами различные оценки влияния воздушного промышленного загрязнения на лесные экосистемы и их компоненты[Евдокимова и
др, 1984; Раткин, 2000; Derome, Lukina, 2010; Lorenz and Becher, 2012; Цветков, Цветков 2012; De Vries et al., 2014; Maas and Grennfelt, 2016 и др.]. Особое внимание уделяется изучению изменения состава атмосферных выпадений и почвенных вод [Никонов, Лукина, 2000; Копцик, 2004; Herrmann et. al., 2006; Даувальтер и др., 2009; Vanguelovaetal., 2010; Kashulina et al., 2014; Kowalska et. al., 2016 и др.]. В обзоре рассматривается состав атмосферных выпадений и почвенных вод с учетом концепции критических нагрузок [Башкин и др., 2005; Копцик и др., 2008; Lorenz, Granke, 2009; Verstraeten et al., 2012 и др.].
Проведенный анализ позволяет заключить, что получены ценные и с научной, и практической точки зрения результаты по составу атмосферных выпадений и почвенных вод, однако в этих исследованиях недостаточно учтена внутри- и межбиогеоценоточеская мозаичность лесов на северном пределе распространения. Для прогнозирования динамики биогеохимических циклов в лесных экосистемах необходимы оценки многолетних изменений состава и свойств атмосферных выпадений и почвенных вод.
Глава 2. Объекты и методы исследования
Полевые исследования были проведены на 6 площадях постоянного наблюдения (ППН) Института проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра РАН. Объектами исследования послужили ельники кустарничково- зеленомошные и сосняки лишайниково-кустарничковые. ППН расположены на различном удалении от источника загрязнения комбината «Североникель»: импактная зона находится в 7–10 км, буферная зона в 28–31 км, фоновая зона в более чем 150 км. в юго- западном направлении от источника загрязнения [Лукина, Никонов, 1996].
Каждая ППН оборудована осадкоприемниками для дождевых выпадений (5 – под кронами, 5 – между крон) и лизиметрами гравитационного типа (12 шт. на ППН), расположенными на разной глубине в соответствии с генетическими горизонтами почв (A0, Е+B, ВС/С) и с учетом мозаичной структуры биогеоценоза (под кронами и между крон) [Лукина, Никонов, 1998].
Снег отбирался в конце марта – начале апреля в период максимального снегонакопления. Дождевые выпадения и почвенные воды отбирались ежемесячно с начала мая по начало октября.
Образцы вод фильтровали через бумажный фильтр «синяя лента». Показатель рН определяли потенциометрически, металлы методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии, SO42-, – методом ионообменной хроматографии, С – хроматометрией, либо перманганатометрией, в зависимости от концентрации. Аммонийный азот определяли по методу Къельдаля (Mahera et al., 2002). Для характеристики состава снеговых вод использовались данные за период с 1991/95 по 2017 гг., для дождевых вод с 1999 по 2017 гг., для почвенных вод с 1991/1995 по 2017 гг. С 2000 года по данным АО «Кольская ГМК» наблюдается снижение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу [www.nornik.ru].
Кислотонейтрализующую способность (ANC) рассчитывали, как разность суммы основных катионов и анионов минеральных кислот в ммоль/л. Для почвенных вод рассчитывали молярные отношения (Ca+Mg+K) / Al, а также концентрацию минерального азота как сумму концентраций нитратного и аммиачного азота.
Расчет описательной статистики проводили в Microsoft Excel 2007. В той же программе эмпирически подбирали тренды для оценки многолетней динамики состава атмосферных выпадений и почвенных вод. Для сравнения состава атмосферных выпадений и почвенных вод на разных пробных площадях, а также для сопоставления состава подкроновых и межкроновых выпадений использовали v-критерий. Расчет v-критерия выполнялся в среде статистического программирования R [Husson et al., 2017; R CoreTeam. 2017].
Глава 3. Состав снеговых вод в хвойных лесах в условиях аэротехногенного загрязнения
Химический состав снеговых вод в еловых и сосновых лесах на фоновой территории характеризуется значительной внутри- и межбиогеоценотической пространственной изменчивостью. Концентрации соединений элементов достоверно выше в снеговых
водах подкроновых пространств по сравнению с межкроновыми, что объясняется смывом и выщелачиванием соединений этих элементов из растительных тканей деревьев (табл. 1). Размеры выпаденийсоединений элементов не имели выраженных внутрибиогеоценотических различий, что связано с одной стороны, с повышенными концентрациями элементов под кронами деревьев, а с другой, с более высоким количеством осадков в межкроновых пространствах.
Воздушное промышленное загрязнение оказывает существенное влияние на формирование состава снеговых выпадений. В снеговых водах в буферной и импактной зонах концентрации и выпадения многих элементов выше в подкроновых пространствах по сравнению с межкроновыми. Актуальная кислотность под кронами выше, чем в межкроновых пространствах, как на фоновой территории, так и в буферной и импактной зонах. В снеговых водах в буферной и импактной зонах содержание тяжелых металлов до 100 раз и сульфатов до 3 раз выше по сравнению с фоновой территорией (табл. 1). При этом содержание элементов питания в этих зонах увеличивается, по сравнению с фоном, что связано с их вымыванием и выщелачиванием из крон деревьев. Также возрастает актуальная кислотность, что более ярко выражено в подкроновых пространствах.
Многолетняя динамика концентраций и выпадений тяжелых металлов и сульфатов в снеговых водах отличается значительной вариабельностью во всех зонах, как в подкроновых, так и в межкроновых пространствах. На фоновой территории многолетняя динамика демонстрирует увеличение концентраций никеля в последние годы (с 2013 года), что может объясняться возрастанием содержания поллютантов в аэрозолях, распространяющихся на значительные расстояния.
Таблица 1. Концентрация соединений элементов в снеге в еловых лесах за период 1995-2017 гг., мг/л, ANC в ммоль/л
Параметры
Среднее Ст. отклонение р* ФБИФБИФБИ
Межкроновые пространства
ANC 0,01 0,01 pH 4,82 4,69 Ca 0,25 0,26 Mg 0,06 0,07
SO42- 0,47 0,70 Cu 0,001 0,02 Ni 0,001 0,02
0,001 0,01 4,65 0,61 0,39 0,12 0,10 0,04 1,47 0,25 0,06 0,004 0,12 0,004 1,46 0,93
0,02 0,02 0,46 0,50 0,16 0,24 0,04 0,06 0,28 0,68 0,01 0,08 0,01 0,13 1,64 1,25
0,13 0,21 0,21 0,06 0,80 0,30 0,02 0,04 0,00 0,00 0,13 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,28 0,48 0,69
0,00 0,94 0,00 0,00 0,50 0,43 0,00 0,73 0,00 0,00 0,74 0,00 0,00 0,07 0,00 0,00 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,05 0,12 0,95
C 1,21 1,51
Подкроновые пространства
ANC 0,02
pH 4,71 4,48 Ca 0,34 0,50 Mg 0,09 0,15
0,02 0,03 0,02 0,54 0,43 0,53 0,17 0,31 0,38 0,05 0,09 0,13 0,49 1,54 1,64
0,002 0,04 0,15 0,01 0,02 0,25 1,94 2,00 1,70
0,005 -0,01 4,48 0,60 0,17 2,85 0,13 0,27 2,04
SO42- 0,93 1,88 Cu 0,002 0,02 Ni 0,003 0,02
C 2,47 2,36
Примечание: территория, Б –
здесь, а также в таблицах 2 и 3 Ф – фоновая Буферная зона, И – импактная зона. Показатель
достоверности различий p рассчитан на основе v-test в среде R.
В буферной зоне в еловых и сосновых лесах наблюдаются тенденции к снижению концентраций тяжелых металлов и сульфатов, что наиболее выражено в межкроновых пространствах, это может свидетельствовать о снижении выпадений загрязняющих веществ в составе крупных частиц вблизи комбината. В импактной зоне в ельнике и сосняке наблюдается значительная вариабельность, значимых трендов не обнаружено.
Концентрации элементов в подкроновых пространствах еловых лесов во всех зонах, как правило выше, чем в сосновых. Это можно объяснить тем, что ель осуществляет более глубокую
трансформацию, чем сосна, из-за более протяженной и плотной кроны.
Глава 4. Состав дождевых вод в хвойных лесах в условиях аэротехногенного загрязнения
Состав дождевых вод, как и снеговых, во всех зонах в еловых и сосновых лесах характеризуется выраженной внутрибиогеоценотической изменчивостью: концентрации и выпадения многих элементов с дождем в подкроновых пространствах выше, чем между крон деревьев (табл. 2). В еловых лесах концентрации и выпадения элементов, как правило, выше, чем в сосновых, что обусловлено большей поверхностью и более выраженными барьерными функциями кроны деревьев ели.
По сравнению с фоновой территорией, в буферной и импактной зонах в дождевых водах еловых и сосновых лесов наблюдается увеличение кислотности вод и концентраций соединений элементов входящих в состав выбросов: меди – до 70 раз, никеля – до 237 раз и сульфатов до 6 раз, что наиболее ярко выражено в подкроновых пространствах (табл. 2). Также в составе дождевых вод в буферной и импактной зонах наблюдается увеличение концентраций основных элементов питания, что обусловлено их выщелачиванием из древесного полога, а также происходит снижение концентраций углерода в связи с дефолиацией крон деревьев.
Многолетняя динамика состава дождевых вод фоновых сосновых и еловых лесов демонстрирует высокую вариабельность и тренд увеличения концентраций никеля в подкроновых и межкроновых пространствах, что свидетельствует о возрастании техногенных нагрузок (рис. 1)
Таблица 2. Концентрация соединений элементов в дожде в еловых лесах за период 1999-2017 гг., мг/л, ANC в ммоль/л
Параметры
Среднее Ст. отклонение p ФБИФБИФБИ
Межкроновые пространства
ANC 0,04 pH 5,26 Ca 0,43 Mg 0,10
SO42- 0,99 Cu 0,003 Ni 0,002
0,02 -0,04 4,65 4,10 0,72 1,29 0,15 0,25 2,91 6,46 0,01 0,08 0,01 0,10
0,07 0,04 0,71 0,65 0,37 0,77 0,11 0,16 0,70 2,68
0,005 0,01 0,004 0,02 7,83 2,45
0,07 0,40 0,96 0,21 4,57 0,10 0,11 2,88
0,00 0,20 0,00 0,00 0,81 0,00 0,00 0,18 0,00 0,00 0,24 0,00 0,00 0,11 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,03 0,26 0,33
0,00 0,02 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,00 0,12 0,59 0,04 0,14 0,00 0,00 0,06 0,00 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,33 0,00
C6 4,44 4,51
Подкроновые пространства
ANC 0,71 pH 4,14 Ca 3,78 Mg 1,23
SO42- 11,01 Cu 0,01 Ni 0,01
C 84,4
0,19 -0,05 0,32 0,20 0,24 3,61 3,54 0,46 0,30 0,30 6,05 4,15 2,09 4,86 2,37 1,49 1,14 0,83 1,36 0,85 30,7 26,2 8,25 25,6 18,3 0,24 1,08 0,01 0,30 1,09 0,28 1,38 0,01 0,26 1,20 50,1 26,6 34,4 32,9 13,9
Многолетняя динамика состава дождевых вод в буферной зоне в сосновых лесах демонстрирует тренды к увеличению концентраций никеля и сульфатов в последние годы в межкроновых пространствах. В импактной зоне не выявлено отчетливых многолетних трендов снижения концентраций основных поллютантов.
0,02 0,015 0,01 0,005
Ельник ПК
0,015 0,01 0,005 00
Сосняк ПК
0,015 0,01 0,005 00
Ельник МК
R2 = 0,36
R2 = 0,49
0,02 0,015 0,01 0,005
Сосняк МК
R2 = 0,92
R2 = 0,71
Рисунок 1. Многолетняя динамика концентраций никеля в дожде в фоновых ельниках и сосняках. ПК – под кронами, МК – между крон деревьев
Глава 5. Состав почвенных вод в хвойных лесах в условиях аэротехногенного загрязнения
Состав лизиметрических вод из органогенных и минеральных горизонтов почв на фоновой территории, в буферной и импактной зонах характеризуется значительным внутри- и межбиогеоценотическим варьированием (табл. 3). Концентрации и вынос элементов, как правило, выше в почвенных водах подкроновых пространств по сравнению с межкроновыми.
2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016
Ni, мг/л
Ni, мг/л
Ni, мг/л
Ni, мг/л
2016
2014
2012
2010
2008
2006 2008 2004
2002 2000
2006
2004
2002
2017 2015 2013 2011 2009 2007 2005 2003 2001 1999
2016
2014
2012
2010

Таблица 3. Концентрация соединений элементов в лизиметрических водах из органогенного горизонта почв в еловых лесах за период 1991/ 1995-2017 гг., мг/л, ANC в ммоль/л
Параметры
Среднее Ст. отклонение p ФБИФБИФБИ
Межкроновые пространства
ANC 0,19 pH 4,20 Ca 1,37 Mg 0,31
SO42- 0,93 Cu 0,01 Ni 0,003
C 26,3
ANC 0,65 pH 4,42 Ca 6,23 Mg 1,58
SO42- 7,29 Cu 0,01 Ni 0,01
C 83,8
0,33 0,03 3,84 4,16 3,45 4,03 0,78 0,97 6,67 18,9 0,03 0,17 0,07 0,74 53,5 17,6
0,12 0,19 0,08 0,38 0,3 0,38 0,74 1,75 2,85 0,16 0,45 0,65
0,6 5,23 14,5 0,01 0,02 0,16 0,004 0,06 0,58 12,8 22,6 15,1
0,91 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,02 0,00 0,00 0,07 0,00 0,00 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,89 0,01 0,22 0,00 0,00 0,00 0,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,00
Подкроновые пространства
0,15 -0,002 3,53 3,91 5,71 4,51 1,09 1,24 27,5 28,7 0,26 0,91 0,23 1,21 34,7 17,7
0,34 0,15 0,13 0,43 0,18 0,4 3,68 2,88 2,37 0,98 0,53 0,68 4,89 15,8 17,7 0,01 0,17 1,15 0,004 0,17 0,91 43,4 13,5 13,9
В буферной и импактной зонах наблюдается существенное влияние аэротехногенного загрязнения на формирование состава лизиметрических вод из всех горизонтов почв. Это выражается в повышенном содержании тяжелых металлов и кислотообразующих веществ: никеля – до 600 раз, меди – до 100 раз и сульфатов – до 20 раз, а также в повышении кислотности почвенных вод по сравнению с фоновой территорией, что наиболее выражено под кронами деревьев. Помимо этого, следует отметить снижение концентраций углерода в водах из органогенных и минеральных горизонтов почв в буферной и импактной зонах, что связано с резким снижением продуктивности и количеством опада. По сравнению с фоновой территорией ANC почвенных вод снижается, что наиболее ярко выражено в импактной зоне (Таблица 3, рис. 2).
Еловые леса
Сосновые леса
30 25 20 15 10
5 0
0,2 0,15 0,1 0,05 0 -0,05 -0,1
ФБИ Между крон
ФБИ Под кронами
ФБИ Между крон
ФБИ Под кронами
40 30 20 10
0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
ФБИ Между крон
ФБИ Под кронами
ФБИ Между крон
ФБИ Под кронами
Рисунок 2. Концентрации углерода и показатель ANC в водах из иллювиальных горизонтов почв в еловых и сосновых лесах в разных зонах загрязнения. Ф – фоновая территория, Б – буферная зона, И – импактная зона. Данные по водам в межкроновых пространствах сосняков импактной зоны отсутствуют.
Многолетняя динамика в водах из всех горизонтов почв сосновых и еловых лесов демонстрирует достоверный тренд к увеличению концентраций тяжелых металлов, в том числе никеля в фоновой и буферной зонах, что свидетельствует о возрастании техногенных нагрузок. Многолетняя динамика состава лизиметрических вод в импактной зоне демонстрирует тренды снижения концентраций тяжелых металлов и сульфатов, что наиболее ярко выражено в еловых лесах (рис. 3). Это может свидетельствовать о снижении выпадений загрязняющих веществ в составе крупных частиц вблизи комбината, а также может объясняться снижением концентраций органического вещества,
ANC, ммоль/л C, мг/л
ANC, ммоль/л C, мг/л

связанным с резким снижением продуктивности и количества опада.
2,5
R2 = 0,72
Под кронами Между крон
R2 = 0,24
32
1,5 1 0,5 00
2 1
100 80 60 40 20
R2 = 0,52 80 60
R2 = 0,68
20 00
Рисунок 3. Многолетняя динамика концентраций никеля и сульфатов в лизиметрических водах из органогенных горизонтов почв в ельнике в импактной зоне
Выявлено, что в большинстве случаев концентрации и вынос элементов в подкроновых пространствах еловых лесов выше, чем в сосновых лесах.
Глава 6. Сравнение уровней загрязнения атмосферных выпадений и почвенных вод с известными критическими нагрузками
Информация о химическом составе атмосферных выпадений и почвенных вод имеет высокое индикативное значение для оценки возможных негативных воздействий на леса. Более четверти века развивается концепция критических нагрузок, которые определяются как «количественная оценка воздействия уровня
SO4, мг/л Ni, мг/л
SO4, мг/л
Ni, мг/л
2017 2017 2015 2015
2013 2011 2009 2007 2005 2003 2001 1999 1997 1995 1993
2013 2011 2009 2007 2005 2003 2001 1999 1997 1995 1993
2017 2015 2013 2011 2009 2007 2005 2003 2001 1999 1997 1995 1993
2017 2015 2013 2011 2009 2007 2005 2003 2001 1999 1997 1995 1993

одного или нескольких поллютантов, ниже которого значительных негативных последствий для наиболее чувствительных компонентов экосистем не наблюдается, в соответствии с современным уровнем знаний» [Nilsson, Greenfelt, 1988; Копцик, 2004]. Критические нагрузкиоцениваетсяс использованием химических индикаторов, таких как, концентрации тяжелых металлов или сульфатной серы в атмосферных выпадениях или почвенных растворах. Для оценки процессов подкисления почвпредложен такой индикатор как молярное отношение суммы основных катионов и алюминия в почвенных растворах. Для оценки эвтрофикации, насыщения азотом, используют концентрации минерального азота в почвенных растворах.
Из приведенных в главах 3 – 5 результатов исследований установлено, что содержание соединений тяжелых металлов и серы в атмосферных выпадениях и почвенных водах в буферной и импактной зонах многократно превышают фоновые уровни. Целесообразно сравнить уровни выпадений и выноса поллютантов на объектах исследований, особенно в фоновых условиях, с установленным в международной практике критическим уровнем. Поскольку на основе результатов исследований установлены существенные меж- и внутрибиогеоценотические различия состава атмосферных выпадений и почвенных вод, сравнения следует проводить с учетом этих различий.
Критический уровень общих выпадений (с дождем и снегом) сульфатной серы из атмосферы в Центральной Лапландии составляет 0.3 г/м2 в год [Korhola et al., 1999]. Критический уровень содержания сульфатов в почвенных водах на Кольском полуострове составляет 500 экв/га в год [Reinds et. al; 2008]. Уровень нижних критических пределов для экосистемы по никелю и меди составляет – 10 и 5 г/га в год [Reinds et al., 2006; Лукина и др., 2018].
Содержание тяжелых металлов в атмосферных выпадениях и почвенных водах превышали годовые критические уровни (до 8 раз) уже в фоновых условиях, что наиболее ярко выражено в подкроновых пространствах ельника (рис. 5).
Под кронами
Между крон
40 30 20 10
Ni Сu КН(Ni) КН(Cu)
25 20 15 10
5 0
Ni
Сu КН(Ni) КН(Cu)
Рисунок 5. Многолетняя динамика выноса никеля и меди в водах из органогенных горизонтов почв в еловых лесах на фоновой территории: КН(элемент) – критическая нагрузка элемента.
Наиболее значительные превышения наблюдаются в атмосферных и почвенных водах подкроновых пространств в еловых лесах по сравнению с сосновыми. В буферной и импактной зонах максимальные превышения уровня критических нагрузок выпадений сульфатов достигали 9 раз и тяжелых металлов – 600 раз.
При повышенных кислотных нагрузках почва постепенно истощается основными катионами, в основном кальцием и магнием. При подкислении в почве образуются токсичные формы алюминия. Повышенная концентрация таких форм Al в почвенном растворе может привести к ингибированию роста корней, повреждениям тонких корней и микоризы. Увеличение выпадений азота может вызвать эвтрофикацию почвы, а также интенсифицировать вымывание нитратов, что называют насыщением азота. Для оценки превышений критического уровня использованы такие международные химические индикаторы, как молярное отношение основных катионов и алюминия (BC/Al) и концентрации минерального азота (Nmin) в почвенном растворе: для первого
Вынос Ni и Cu г/га в год
1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015 2017
Вынос Ni и Cu г/га в год
1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015 2017

показателя этот уровень для лесов, доминантами которых являются Pinus sylvestris и Picea abies составляет – < 1,2, а для второго – > 0,2 мг/л [Iost et al., 2012].
Показатель BC/Al в почвенных водах сосновых и еловых лесов, как под кронами, так и между крон деревьев во всех зонах значительно превышает критические значения. Это можно объяснить богатством почвообразующих пород региона исследований основными катионами. Критический уровень для минерального азота превышен во всех зонах (до 3,5 раз), при этом в подкроновых пространствах превышения, как правило, выше, чем в межкроновых. Данные по атмосферным выпадениям и выносу с почвенными водами основных поллютантов в подкроновых пространствах еловых лесов являются более информативными для выявления превышений уровня критических нагрузок.