Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Al-Fe-гумусовые подзолистые почвы еловых биогеоценозов в условиях длительного аэротехногенного загрязнения

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Al-Fe-гумусовые подзолистые почвы еловых биогеоценозов в условиях длительного аэротехногенного загрязнения"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ДРУЖБЫ НАРОДОВ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им.М.В.ЛОМОНОСОВА

ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ

На правах рукописи

УДК 631.4(470.21):502.65

Кяшулина Галина Михайловна

АНРе-ГУМУСОВЫЕ ПОДЗОЛИСТЫЕ ПОЧВЫ ЕЛОВЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ В УСЛОВИЯХ ДЛИТЕЛЬНОГО АЭРОТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

(03.00.27 - почвоведение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА -1993

Работа выполнена в Институте проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра РАН

Научный руководитель: доктор биологических наук

В.Д.Васильевская Официальные оппоненты: доктор биологических наук Л. О.Карпачевский кандидат биологических наук А.В.Сердюкова

Ведущее учереждение: Лаборатория биохимии почв Биологического института Ленинградского государственного университета

Защита состоится * $"¿¡^¿/лА. <~Л994 г. в_час.

на заседании Специализированного Совета K053.0S.16 на Почвенном факультете Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899 Москва, Ленинские горы, Биологический факультет МГУ

С диссертацией можно ознакомится в Научной библиотеке на почвенном факультете МГУ

/— -Й / -Автореферат разослан: "■ > 994

Ученый секретарь Специализированного Совета доктор биологических наук

/Г.В.Мотузова/

а * я * ^

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Кольский полуостров промышленно развитый регион с высокими объемами добычи и переработки минерального сырья. . Занимая десятые доли процента от территории области, промышленные предприятия посредством аэротехногекных выбросов оказывают негативное воздействие па экосистемы практически на всей территории области (Макарова и др., 1982).

Более чем 50-летнее воздействие аэротехногенных выбросов горно-металлургического комбината "Североникель", содержащих сернистый газ и соединения тяжелых металлов (медь, никель, кобальт) привело не только к загрязнению основных компонентов экосистем в окрестностях этого предприятия (Гуревич, 1966; СкарлыгинзьУфимцева и др., 1979; Карабань и др., 1938; Кашулн-на, 1982 и др.), но вызвало также существенные изменения в структурно-Функциональной организации северотаежных экосистем (Дончева, 1977; Крючков, Сыроид, 1979; Лесные экосистемы..., 1990 я др.). Степень разрушения экосистем в окрестностях к-та" Североникель* варьирует от пустоши техногенной с проявлением эрозионных процессов до экосистем со скрытым повреждением (КШСЫсоу, 1991). -

Почва является важным компонентом лесных экосистем, обеспечивающим их нормальное функционирование. Изменение свойств почв в результате длительного аэротехногенного воздействия может являться одной из причин деградации наземных экосистем. Поэтому решение таких важных региональных проблем как выявление механизма разрушения лесных экосистем, выбор критериев оценки состояния и обоснование предельно допустимого воздействия на них, а также выработка научно-обоснованных мероприятий по сохранению, повышению устойчивости и восстановлению лесных экосистем в целом или их отдельных компонентов требует глубокого и полного знания о характере процессов в почвах происходящих под воздействием техногенного фактора.

Прпи и ^тщчи исследований. Целью данных исследований является выявление основных тенденций изменения свойств А1-Ре-гумусовых подзолистых почв основных структурных элементов (парцелл) еловых биогеоценозов (БГЦ) в результате длительного воздействия аэротехногенных выбросов, содержащих сернистый газ в тяжелые металлы (х-т "Североникель).

В процессе исследований были поставлены следующие задачи: - выявить особенности распределения тяжелых металлов по профилям основных типов почв;

- оцещггь степень и выявить характер пространственного распределения загрязненности почв;

- определить величину поступления главных компонентов выбросов (SO4, Cu, Ni. Н+(рН) для основных парцелл техногенно трансформированного ряда еловых БП1;

- изучить особенности межпарцеллярного варьирования химического состава атмосферных выпадений и свойств Ai-Fe-гумусовых подзолистых почв в пределах одного БГЦ;

- выявить основные тенденции изменения морфологических особенностей, физико-химических свойств, содержания и состава органического вещества, валового состава, аморфных соединений железа, алюминия, кремния, а также содержание и состава соединений железа Al-Fe-гумусовых подзолистых почв основных парцелл еловых БГЦ при усилении техногенного воздействия и изменении структуры фитоценотических ярусов, вызванной этим воздействием;

- отобрать наиболее информативные показатели состояния экосистем;

- выявить основные тенденции изменения физико-химических свойств подстилки в случае ее прямого контакта с возрастающими дозами основных ингредиентов аэротехногенных выбросов к-та"Североникель" в условиях модельных экспериментов;

- проследить за поведением тяжелых металлов в органогенном горизонте в контролируемых условиях модельных экспериментов;

- оценить буферную способность Al-Fe-гумусовых подзолистых почв по отношению к кислым осадкам.

Научная новизна работы. На первом этапе исследований был выявлен характер распределения тяжелых металлов по профилям основных типов почв окрестностей к-та"Североникель"; составлены карто-схемы пространственного распределения загрязненности почв. Наблюдения за динамикой накопления тяжелых металлов показали, что в сильно разрушенных экосистемах с проявлением эрозионных процессов подстилка Al-Fe- гумусовых подзолистых почв не выполняет функции комплексного биогеохимического барьера по отношению к тяже-

лым металлам. В условиях стационарных наблюдений оценен уровень техногенной нагрузки на исследованные БГЦ; показано, что поток техногенных веществ в пределах БГЦ перераспределяется древесным ярусом, обусловливая значительно более высокую техногенную нагрузку в полкроновом пространстве. Изменение физико-химических свойств почв при усилении воздействия имеет специфичный для отдельных парцелл или их групп характер и тесно связано с характером техногенного изменения структуры фитоценотических ярусов этих парцелл. При этом косвенное воздействие техногенного фактора осредством разрушения фитоценоза может усиливать его прямое воздействие или иметь противоположный эффект.

Кроме прямого воздействия разных уровней техногенного фактора различия свойств почв исследованных БГЦ определяются еще несколькими факторами: исходным различием валового состава почвообразующих пород, косвенным воздействием техногенного фактора посредством изменения природных параметров потока вещества в почву из-за разрушения структуры фитоценоза и посредством нарушения профильного распределения органического вещества в результате развития эрозионных процессов.

Практическая значимость работы. Результаты настоящего исследования могут быть использованы при разработке методик по организации почвенного мониторинга, при выявлении механизма разрушения лесных экосистем под воздействием техногенного фактора, при разработке мероприятий по повышению устойчивости лесных экосистем в условиях продолжающегося загрязнения п их восстановлению после прекращения воздействия. Автором предложен набор почвенных параметров, которые могут быть использованы в качестве информативных показателей состояния экосистем.

Апробация диссертации. Основные положения работы были представлены и докладывались на: 7 Координационном совещании научных работников и специалистов, работающих по проблеме "Охрана окружающей среды от техногенного загрязнения" (Момжа, 1983); 4 Сибирцевскях чтениях "Исследования почв на Европейском Севере (Архангельск, 1990); Семинаре по технологии охраны окружающей среды (Ивало, Финляндия, 1990); 2 Международном симпозиуме по геохимии окружающей среды (Уппсала, Швеция, 1991); Симпозиуме по состоянию окружающей среды в Северной Фенноскандии и Кольском полуострове

(Рованиеми, Финляндия, 1992).

Публикации По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ. Объем и структура работы. Диссертация изложена на 216 страницах машинописного текста и состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы и приложения. В работе содержится 17 таблиц и 10 рисунков. Список литературы включает 181 наименование. Приложения на 24 машинописных страницах.

Материалы и методы.

На первом этапе исследований на различном удалении от к-та "Северони-кель" было заложено 57 почвенных разреза, охватывающю: основные типы почв подзоны северной тайги Кольского Севера.

В качестве объектов стационарных исследований использованы А1-Ге-гу-мусовые подзолистые почвы, формирующиеся в автономных условиях в ельниках кустарничково-зеленомошных, расположенных по градиенту выбросов к-та "Се-вероникель*. По мере приближения к источнику выбросов коренной биогеоценоз - епишк кустарничково-зеленомошный (пя.1, 100 км, контроль) трансформируется в ельник зеленомошно-кустарничковьш (пл.2, 36 км), затем в ельник здако-во-кустарннчковьй (пл.3,20 км) и в «зроничное еловое редколесье (пл.4, 7 км).

В качестве методической основы организации исследований было использовано учение Сухачеза о биогеоценозе (БЩ) (Основы лесной..., 1964; Программа и методика..., 1974).

Непосредственными объектами исследования являлись почвы структурных элементов БЩ - парцелл согласно определения данного Н. В.Дылисом (1974). Всего было заложено 15 почвенных разрезов.

Уровень техногенной нагрузки на исследованные Б ГЦ оценен на основании данных химического состава атмосферных выпадений за летние периоды (июнь-октябрь) 1987-1988 годы наблюдений. По мере приближения к источнику выбросов кислотность атмосферных выпадений (средневзвешенная величина) изменяется незначительно с рН 4.8 (контроль) до 4.4 (пл.3,4) для межкронового пространства и более существенно (на 0.8 рН единицы) для подкронового пространства с минимальными значениеми 3.4 для ироничной и еловой парцелл под елями со слегка разреженными кронами в ельнике злаково-кустарничковом. Концентрация сульфат-иона возрастает одаоналравяенщ с 2 (контроль) до б мг/л

б

(пл.4) для открытого пространства; для полкронового - с 15 (контроль) до 58 мг/л с максимальным значением в подкроновых выпадениях ельников зеленомошно-кустарничкового и злаково-кусгарничкового, особенно в еловых парцеллах этих БГЦ. Концентрации Сорг. в подкроновых выпадениях по мере приближения к источнику выбросов, наоборот, снижается с 47 до 15 мг/л.

Градиент по выпадениям тяжелых металлов для исследованного ряда еловых БГЦ более существенный. Концентрация Си в атмосферных выпадениях межкронового пространства возрастает однонапрааленно с 6 (контроль) до 480 мкг/л (пл.4); для подкроновых выпадений с 15 (контроль) до 2200 мкг/л с максимальными величинами в ельнике злаково-кустарничковом. Содержание № возрастает с 5 (контроль) до 260 мкг/л (пл.4) для межкронового пространства и с 8 (контроль) до 1045 мкг/л (пл.4) - для подкронового пространства.

При характеристике атмосферных выпадений необходимо отметить значительные различия исследованных нами показателей между межкроновым пространством и подкроновьгм в пределах одного БПД. В ельнике зеленомош-но-кустарничковом эти различия составили около 1 рН единицы по кислотности, приблизительно на порядок, различаются концентрации сульфат-иона, меди и никеля.

Почвообразующая порода на всех площадках представлена песчаной завалуненной мореной. Различный характер подстилающих пород обусловил существенные различия между площадками по валовому химическому составу. Однофакторкый дисперсионный анализ данных показал, что исследованные БГЦ достоверно (95% доверительный уровень) различаются по содержанию М£0 (Я= 84), К,0 (Я=67), СаО (Я =55), РеА (Р=44), А1г05 (Р=20) и Б¡СХ, (Р=10) в мелкоземе слабоизмененных процессом почвообразования горизонтах ВС и С.

Полевой эксперимент по экспонированию подстилки: образцы подстилки основной парцеллы ельника зеленомошно-кустарничкового в мешочках из стеклоткани экспонировались на поверхности почв исследованных БГЦ 1986-1990 г.

Лабораторный эксперимент с искусственными атмосферными осадками: монолиты подстилки ненарушенного сложения основной парцеллы ельника зеленомошно-кустарничкового подвергали дождеванию искусственными атмосферными осадками с близким к естественному содержанию основных компонентов и добавками различных количеств ингредиентов аэротехногенных выбросов комби-

ната: Cu, Ni и S04.

Определение буферной способности почв: буферная способность была определена на основании кривых титрования: в последовательный ряд колб с навесками почвы кроме воды добавляли растворы НС1, соответствующие следующему диапазону добавок Н+ от 25 до 250 мг-экв для подстилок и от 2.5 до 125 мг-экв для минеральной горизонтов из расчета на 1 кг почвы. Кривые титрования строили в координатах: количество добавленного иона 1-Г - рН равновесной суспензии.

Общее количество проб составило около 300 почвенных и около 500 водных. Всего было -проведено более 10000 элементо-определсний. Групповой и фракционный состав органического вещества, формы соединений железа, и аморфные соединения были определены в лаборатории почвоведения Полярно-альпийского ботанического сада-института аналитиком Г.С.Ивановой. Все полевые работы, эксперименты, подготовка образцов к анализу, методическая работа, остальные виды анализа, а также статистическая обработка результатов организованы и проведены автором.

Глава 3. Внутрибиогеоцевотичесхие различия свойств Al-Fe-гумусовых подзолистых почв

(на примере ельника эсленомошно-кустарничкового)

Исследованные парцеллы ельника зеленомошно-кусгарничкового характеризуются своей собственной структурой и составом фитоценотических ярусов, а также количеством и химическим составом атмосферных выпадений и растворов поступающих в минеральную часть профиля (Рис.1.).

Более высокая интенсивность поступления и особенности ботанического состава обусловили формирование в почвах парцелл с наличием древесного яруса (воронично-еловая и еловая) морфологически выраженного горизонта лесного опада (О).

В пределах БГЦ парцеллы различаются мощностью и запасом подстилки. Органогенный горизонт полкроновых парцелл характеризуется более высокой степенью гумификации органического вещества, более гуматным характером гумуса, наибольшей величиной емкости катионного обмена, более высоким со-

Зеленомошно- Зеленомошно- Воронично- Еловая

кустарничковая лишайниковая еловая

ЦревеСНЫЙ ркеа Йога

ярус отсутствует отсутствует оЬоиИа оЬокйа

Количество, мм Атмосферные рн выпадения си, мкг/п

N1, МКГ/П Э04, МГ/П

Травяно- Етреып

ку СТ а рни Ч КОВЫЙ УааЛШт тутШи Ярус иШз-Шаеа

МОХОВО- ОевсЫялрзШУехиоза

лишайниковый ЯеигоЯшт.гиЛгеЬет!

ЯРУС НуЬхотШт зр1£пскп5

321+70 I 82+22 / 3.4+0.2/3.4+0.2 / 1230+124/236+140/ \150+29 Д156+24 / 35+11/ \48+20 I

V. оШЯ'Маеа

D.Jlcxuosa

5.з.С1а£Ипа Р.зсЬгеЬеН

Ао

А2

Мощность,см 6.0+1.1 2.0+1.1 6.7+2.0 11.4+3.1

Запас, г/м2 2.8+0.4 1.3+0.1 3.4+0.6 7.9+3.1

рНводн.' 3.80 3.98 3.84 3.90

НКО,мг-экв/юог 130 104 139 135

СгкгСфк 0.84 0.85 1.04 1.22

СаО,%(Са,г/м2) 5.2(10.7) 4.9(3.9) 7.5(30.6) 9.4(38.6)

Си,МГ/КГ(Г/М2) 91(0.3) 104(0.2) 321(2) 211(1.4)

Ы1,МГ/КГ(Г/М2) 372(1.1) 344(0.6) 379(2.3) 302(2.0)

Рн ^

рНН20 4.41 5.00 4.15 4.50

Ре203, % 5.6 3.2 3.7 5.3

Сорт.,% 1.6 0.8 1.1 1.2

рНН20 5.02 5.44 4.75 4.73 ]

Сорг.,% 3.2 1.7 3.2 3.9

ЕКО МГ-ЭКВ/ЮОГ х2 6 18 18

Ее203,%(% аморф.

от вал) 6.8(Ю> 6.3(3) 5.6(13) 7.1(18)

РисЛ.Структура, некоторые параметры вертикального потока и свойства почв основных парцепп ельника зепеномошно-кустарничкового.

держанием и запасами кальция.

Не смотря на значительные различия кислотности атмосферных выпадений в межкроновом пространстве и под кронами, различия в кислотности органогенного горизонта между парцеллами незначительны. Эти различия проявляются только в минеральной части. Наиболее кислая обстановка в элювиальном горизонте обнаружена в подкроновой воронично-еловой парцелле. В верхней части иллювиального горизонта обе полкроновые парцеллы характеризуются наиболее кислой средой.

Из морфологически фиксируемых различий для минеральной части профиля можно отметить меньшую мощность и большую осветленность элювиального горизонта в зеленомошно-лишайниковой парцелле. Валовый анализ показал здесь наиболее низкую концентрацию железа и Сщг.

Преобладание охристых тонов иллювиального горизонта и слабая дифференциация его на подгоризонты в зеленомошно-лишайниковой парцелле сочетается с преобладанием аморфных неорганических соединений в составе аморфного железа, очва еловой парцеллы характеризуется наименьшей мощностью, наиболее интенсивной бурой окраской и наиболее четкой обособленностью верхней части иллювиального горизонта (ВИИ). Химический анализ показал наиболее высокое содержание здесь общего железа и его аморфных органических соединений.

Согласно "Классификации и диагностики почв СССР" 1977 года на основании полученных данных почвы основных парцелл ельника зеленомош-но-кустарничкового могут быть отнесены к 2 различным родам: зеленомош-но~ лишайниковой к иллювиально-железистому, остальные к иллювиаль-но-гумусово-железистому.

По своим свойствам (состав фитоценоза, запас органического вещества, количество обменных оснований) зеленомошно-лишайниковая парцелла является наиболее слабым звеном в структуре ельника зеленомошно-кусгарничкового.

Глава 4. Поведение тяжелых металлов в почве

Как показали результаты первого этапа исследования, верхний органогенный горизонт всех основных типов почв является комплексным биогеохкмичес-

(

ким барьером по отношению к тяжелым металлам. Использовав концентрацию тяжелых металлов в верхнем органогенном горизонте почв в качестве показателя загрязненности почв мы получили карто-схемы пространственного распределения загрязненности почв в окрестностях к-та "Североникель" (Рис.2). На обследованной территории концентрация № варьирует от 40 до 4200 ррш. Характер пространственного распределения содержания Си и Со в верхнем органогенном горл-зонте почв тот же, что и для №, но при меньших величинах: Си от 37 до 2400 ррш, Со от 6 до 240 ррт. Главным фактором, который определяет уровень загрязнения почвы тяжелыми металлами безуслоано является удаленность от источника выбросов (Рис.3).

Повторные наблюдения за уровнем загрязнения почв в южном направлении в 1985 показали существенное увеличение загрязнения почв за семилетний период (Рис.3). Однако, наблюдения 1989 года на стационарных площадках показали снижение концентрации тяжелых металлов по сравнению с 1985 годом в 7 км от источника в сильно разрушенном, с интенсивно протекающими эрозионными процессами вороничном еловом редколесье. За 4 года концентрация меди в подстилке этого Б ГЦ уменьшилась с 1300 ррш до 400-700 ррт, № - с 2500 до 8001200 ррт. В то же время концентрация тяжелых металлов в ельнике зеленомош-но-кусгарничковом продолжала возрастать (Рис.3 ).

Полевой эксперимент по экспонированию подстилки показал, что концентрация Си в экспонировавшейся подстилке в на 3 пл. (20 км от источника) за один год возрасла настолько, что превысила концентрацию в подстилке места экспонирования. По сравнению с подстилкой места экспонирования в экспонировавшейся подстилке изменилось и соотношение металлов: как и в атмосферных выпадениях содержание меди в ней превышает содержание никеля.

За первый год экспонирования подстилки на пл.4 (7 км от источника) содержание Си в ней превысило, а содержание М почти сравнялось с содержанием этих элементов в подстилке места экспонирования, обнаруженного в 1986 году. Через 4 года экспозиции концентрация и Си н N1 здесь достигла 5000 ррт. За это же время концентрация тяжелых металлов в подстилке места экспонирования резко снизилась (Рнс.3).

В остром лабораторном эксперименте с искусственными атмосферными осадками никель более активно аккумулируется подстилкой чем медь. Аисумуля-

ррт «ООО

яда 1000

ООО

то юо

№

О в

в в в в

в»в

в

8

_ , , 2 , , , , _ ,

РисЗ.Распределешге концентрации № в верхнем органогенном горизонте почв по мере удаления от источника выбросов. В подстилке А1-Ре-гумусовых подзолистых почв: 1978 г., ® Э -1985 г., О - 1989 г. В других типах почв 1978 г. - О

РРт юо.

1 В

Г®"

11 в

-Л

®1

8 §1 8 § §

Шв

®

IV в

§ 11 I

! ррт

Рис.4. Аккумуляция никеля и меди подстилкой А1-Ре-гумусовцх подзолистых почв а эксперименте с искусственными атмосферными осадками. А - для всего монолита в целом: 0 Си, В №.

Б - распределение металлов с глубиной -«-Си, №.

вдя никеля в гарных трех вариантах составила 75-100% (РисА). Доля поглощенной меда была ниже - 40-60 %. Снижение степени аккумуляции № подстилкой в 4-ом варианте до 50-% вместе с характером кривой распределения его с глубиной свидетельствует о том, что в целом подстилка приближается к насыщению, а ее верхние слои уже достигла насыщения никелем. По содержанию № в верхнем 1 см слое подстилки в 3-ем и 4-ом варианте можно приблизительно оценить ее сорбционную емкость по отношению к этому элементу. Эта величина составляет оходо 1000 ррт. Сорбционная емкость подстилки по отношению к Си будет существенно вьпне.

Эксперимент с искусственными атмосферными осадками хорошо продемонстрировал резкое падение концентрации тяжелых металлов в подстилке с глубиной. Так содержание Си в верхнем 1 см слое подстилки в5 -13 раз превышает ее содержание в нижней части (Рис.4). Для № эти различия ниже - эо 2-3 раза в первых трех вариантах иди почти отсутствуют при состоязш близком к насыщению всего монолита этим элементом (4 вариант). Тазам образом, на начальных стадиях загрязнения тяжелые металлы шнщенгриромяы в верхнем наименее разложившемся и с наименьшей массой корней мог и не могут охазы-Еать существенное токсическое действие на корневую систему растений.

Учитывая, что подстилка обладаем очень высокой способностью аккумулировать тяжелые металлы, содержание их в этом горизонте может адекватно отражать величину накопленной техногенной нагрузки а служил, показателем состояния экосистем, но только на начальных стадиях разрушения. На более глубоких стадиях разрушения применение этого показателя ограничено из-за того, что подстилка утрачивает способность аккумулировать тяжелые металлы в . процессе деградации экосистем и/ияи при достижении предела насыщения, ими.

Глава 5. Воздействие квелых осадков на АН*-гумусовые подзолистые почвы ( результаты лабораторных экспериментов)

Как свидетельствуют результаты определения буферной способности исследованных почв, органогенный горизонт, расположенный на поверхности и

первым пргепгмаюший на себя техногенный поток, обладает очень высокой способностью противостоять изменению кислотности своей среды. Для повышения кислотности 1 кг подстилки на 1 рН единицу потребуется добавление около 100 мг-эхв иона Н+. Минеральные горизонты обладают существенно меньшей величиной буферной способности с наиболее высоким значением в верхней части иллювиального горизонта - около S мг-эка и наименьшим в горизонте С - 3 мг-экз. ,

По данным эксперимента с искусственными атмосферными осадками в случае сложного химического состава осадков потребуется поступление гораздо большего количества иона Н+, чтобы повысить кислотность 1 кг подстилки на 1 рН единицу: 430 (7 годовых норм осадков) и 830 мг-гкв (2.5 годовые нормы) при рН осадков 3.4 и 2.7, соотзетственно.

3 остром эксперименте дождевание искусственными атмосферными осадками с рН от 4.22 до 2.7 сопровождается подкисленном подстилки в гораздо более узхои дкадззокв значений рН: от 3.! до 2.7 солевой н 4.0 до 3.4 водной рьгтяясгх да всего монолита в целом (Рис5.). Сезонные колебания рН водной штяхзся для этях почч по давным (Левина, 1969) составили более 1 рН единицы. Варьирование кдаячины актуальной, пжлотности, аызЕшшыа моделированными кксльтьш осадками в эксперименте попадает в диапазон укзанный В.О.Таргулья-яом (1971) дяя региональной группы AJ-Яе- гумусовых подзолистых почв, худа входят и почзы Кольского полуостроза.

Отмеченные выше для scero монолита в целом тенденции более четко проявляются ь верхнем 1 см слое. Здесь наблюдается более широкий диапазон зарькроашия асследозавкых параметров физшсо-хнмическях свойств по сравнению со всем монолитом в целом: рН силе вой суспензии изменяется от 3.3 до 2.7; годной от 4.1 до 3.2; содержание обменного Сг от 20 до 3 мг-зхв/100 г; Mg - от 9 до 1 mt-s-ke/IGO г, степени насыщенности основаниями почвешгого поглощающего комдлекса от 23 до 4%.

Результаты этого эксперимента выглядят несколько иначе, если мы сравним показатели физико-химических его йот образцов обработанных искусственными осадами с исходным образцом. Дождевание подстилки осадками с рН 4.22 (что кислее атмосферных осадков места отбора образца для эксперимента, пл. 2) сопроаоздается еннжением es кислотности и повышением содержания обменно-

рН

ГК,ЕКО 0-4 см

Иго по 100

Г 90 •

4.0 3.0

0-1см

. ,--¿ОСн,А0СН

■......."'Л ..'•*' 25

.----/ ****><•*\ 20

. Х-***'***-»* \\

¿к* •

^ _------—■- "

15 •

XV

1 иск. почва

4 '•

•вариант

Рис.6.Изменение физико-химических свойств подстилки в эксперименте с искус-

ственными осадками: рНКС! ■

рННгО -/ , обменные (Са+Ме), мг-экв/100 г. -у , гидролитическая кислот-• ^

ность- , ЕКО, мг-экв/100 г. -у степень насыщенности основания, % -х**.

го Са и степени насыщенности основаниями по сравнению с исходным образцом. Повышение кислотности, уменьшение содержания обменных оснований и степени насыщенности основаниями по сравнению с исходной почвой произошло только в варианте с рН осадков 3.4 а более ощутимо при рН осадков 2.7.

Анализ профильтровавшихся растворов показал, что подстилка обладает огромной способностью трансформировать кислотно-щелочные условия провзаи-модействовавших с ней растворов. На протяжении всего времени проведения эксперимента подстилка подкисляла осадки осадки с рН 4.22 и подщелачивала осадки с рН 3.4 и 2.7.

Как показали разультаты этого эксперимента, существенное подкисление почв и обеднение органогенного горизонта обменными основаниями только за счет прямого подхисления атмосферных осадков аэротехногеняыми выбросами к-та "Североникель" представляется маловероятным.

Глава 6. Морфолого-генетическая характеристика почв

В пределах исследованного диапазона техьогенко трансформированных еловых БГЦ от ельника кустаршгчксво-зеленомошного до вороничного елового редколесья в изменении морфологических признаков Al-Fe- гумусовых подзолистых почв мы отмечаем две основные тенденции. С одной стороны, гибель доминантных видов древесного яруса и напочвенного покрова коренной экосистемы сопровождается развитием эрозионных процессов. С другой - развитие злаков с формированием дернины и густым переплетением всего профиля корнями злака •способствует закреплению профиля и на данном этапе сохранению всех морфологических черт профиля коренной парцеллы, в целом образуя совершенно несвойственный для Al-Fe- гумусовых подзолистых почв профиль со следующим набором горизонтов: 04-0-Ao-A2-Bhfl-Bf2-BC-C. Однако, злаковые парцеллы охватывают небольшую часть территории сильно разрушенных экосистем (ельник злаково-кусгарничковый и вороничное еловое редколесье), кроме тош, они отсутствуют на более близком от источника выбросов расстоянии. Все это свидетельствует о пространственной ограниченности распространения этого позитивного с точки зрения предотвращения развития эрозии процесса.

Разрушение мохового покрова сопровождается нарушением водного ре-

жима почв. Иссушенная, утратившая каркас из многочисленных корешков в результате их отмирания, подстилка утрачивает свое естественное рыхлое "губко-образное" состояние и превращается в сухую пылящую массу в верхней части и влажную мажущую в нижней, перемешивается с отмершими корешками и спадом. В таком виде она легко доступна для ветровой и водной эрозии. В результате развития эрозионных процессов минеральные горизонты обогащаются и прокрашиваются органикой четкость перехода между горизонтами Ao-A2-Bhfl утрачивается.

Накопление опада и формирование морфологически выраженного горн-зонта лесного опада в ельнике злахово-кустарничковом и еловом редколесье не только в парцеллах с наличием древесного яруса, но и в парцеллах межкронового пространства мы связываем не тонко с токсическим действием поллютантов на микроорганизмы, участвующие в трансформации органического вещестиав (Гришина, Фомина, 1984; Смит, 1985), но и с повышением интенсивности поступления опада в результате массовой гибели деревьев.

Что касается элементов, биогенная аккумуляция которых в органогенном горизонте является характерной особенностью Al-Fe- гумусовых подзолистых почв (Маиаков, 1969, Таргульян, 1971), то можно отметить, что в активно разрушающемся ельнике злаково-кусгарничковом и сильно разрушенном вероятном еловом редколесье существенно резко снижается степень их биогенной аккумуляции. Наиболее критическая ситуация, на наш взгляд, складывается в отношении марганца и фосфора. Содержание марганца в подстилке (% на прокаленную навеску) в наиболее разрушенных парцеллах этих Б ГЦ приближается к его содержанию в горизонте С. В то время как в контроле различия содержаний этого жэлеменга в подстилке и горизонте С составляют более 20 раз.

Физико-химические свойства. Диапазон колебания кислотности органогенного горизонта между основными парцеллами исследованных БГЦ составил около 0.6 рН единицы для обменной и актуальной форм кислотности (Рис.6). ' В.Н.Переверзевым приводится столь же широкий интервал варьирования кислотности органогенного горизонта Al-Fe-гумусовых подзолистых почв Кольского полуострова, но в более щелочной области: рН сод. 3.1 -3.8 и рНводн. 4.04.8 (Пе-реверзев, Алексеева, 1980). В.О.Таргульян (1971) приводит еще более широкий интервал величины актуальной кислотности ддя подгруппы Al-Fe-гумусовых почв,

куда входят и почвы Кольского полуострова: рН вода, от 3 до б и все полученные нами значения попадают в этот диапазон, включая контрольную площадку.

Взаимодействие техногенного потока с почвой протекает на фоне сложных структурных изменений фитоценоза. При этом косвенное влияние посредством изменения природных параметров потока вещества непосредственно в почву из-за разрушения структуры фитоценоза может усиливать прямое действие техногенного фактора { в данном случае кислотности осадков) или иметь противоположный ему эффект.

Так, изменение кислотности органогенного горизонта основной парцеллы не совпадает с градиентом кислотности атмосферных выпадений меж кроновых пространств (см. гл.2). Тщательный анализ дополнительно проведенных экспериментов помог нам найти возможное объяснение этого феномена. В эксперименте по экспонированию перемещение подстилки из-под яруса зеленых мхов на поверхность и экспонирование ее здесь в течение одного года сопровождалось снижением ее кислотности и увеличением количества обменных оснований не только на ее собственной площадке, но и на пл.З. И только взаимодействие подстилки с техногенным потоком в условиях ироничного елового редколесья привело к снижению содержания обменных оснований и степени насыщенности по сравнению с исходным образцом. При этом величины рН солевой и водной суспензии не уменьшились' по сравнению с исходной почвой.

В эксперименте с искусственными атмосферными осадками мы обратили внимание на отсутствие подкисляющего эффекта осадков с рН 4.2 (что на 0.2 рН единицы ниже, чем в атмосферных выпадениях места отбора образца). И в этом случае при взаимодействии осадков с подстилкой отсутствовали зеленые мхи. По-видимому, в естественных условиях зеленые мхи более существенно подкисляют атмосферные осадки по сравнению с техногенным фактором и исчезновение зеленых мхов, составляющих основу фитоценотичесхой части основной парцеллы ( под воздействием техногенного фактора в природных условиях или при механическом удалении в экспериментах) сопровождается улучшением физико-химических свойств подстилки.

Изменение физико-химичесхих свойств подстилки подкроновых парцелл также невозможно объяснить только на основании данных по кислотности атмосферных выпадений. Резкое снижение количества обменных оснований и повыше-

ние кислотности в подкроновых парцеллах ельника злаково-кустарничкового на наш взгляд связано не только снаиболее кислым характером осадков здесь, но так*.*- с поступлением большого количества нона Н+ в результате массового поступления свежего опада хвои при гибели ели.

Что касается минеральной части профилей, то наиболее очевидные изме-ния физико-химических свойств здесь связаны с обогащением юс органическим веществом в результате развития эрозионных процессов (повышение ЕКО, величины гидролитической кислотности, количества обменных оснований).

Наиболее информативным показателем состояния БГЦ из обсуждавшихся выше параметров на наш взгляд является содержание обменных оснований. Снижение их содержания в подстилке может бьггь связано не только с подкисле-нием осадков, но и/или конкуренцией их с тяжелыми металлами.

Органическое вещество. По мере приближения к источнику выбросов при незначительном повышении для некоторых парцелл ельника злако-во-кустарничкового в целом наметилась тенденция к снижению содержания органического углерода в подстилке (Рис.6). Особенно существенно снижение содержания Сорг. произошло в подстилке техногенно обусловленных парцелл (пустошь техногенная и злаковая) в условиях вороничного елового редколесья. В составе ораганического вещества подстилки снижается доля негидролизуемого остатка и гумус приобретает более гуматный характер (Рис.й).

Аморфные соединения железа, алюминия, кремния. Различия валового состава почзообразуюших пород не позволяют нам с полной уверенностью отнести различия по содержанию аморфных элементов и их профильного распределения между ЬГД только за счет техногенного фактора.

Из наиболее очевидных изменений в профильном распределении аморфных соединений следует отметить появление ощутимых их количеств в элювиальной части, а также в нижней части иллювиального горизонта некоторых пар-цйлл активно разрушающегося ельника злаково-кустарничкового и сильно разрушенного вороничного елового редколесья. Кроме того, в ельнике злако-во-кустарничковом отмечается абсолютное и относительное обеднение горизонта В'пй подвижными соединениями алюминия и перемещение подвижных соединений алюминия и кремния в наиболее разрушенных парцеллах (пустошь техногенная и лишайниково-кустарничковая) и только кремния (вороничная) в нижнюю

РН(Н20)

3.8

3.6

3.4

Сорг.,^к.а.с.п.

48

46

42

Мпдо;МпГорС

■1

-1.0

4 Ne пл.

1 2 3 4- 1 2 3 4 Nenn.

Рис.6. Свойства AI—Fe—гумусовых подзолистых почв техногенно трансформированного ряда еловых биогеоценозов. Парцелпы: зеленомошно-кустарничковая ; золеномошно-пишайниковая-

~СГ и его техногенная производная - пустошь техногенная-А-• воронично-еповая —Q- и его техногенная производная -воронично-зпакоеая -5— еповая —<>- ,

э

5

часть профиля (В(2 и ВС).

Для ироничного елового редколесья характерно, наоборот, абсолютное и относительное обогащение минеральной части подвижными соединениями алюминия и относительное обеднение соединениями железа.

ВЫВОДЫ

1. В результате длительного аэротехногенного воздействия в окрестностях горно-металлургического комбината "Североникель" образовалась техногенная геохимическая аномалия с повышенным содержанием Си, № и Со в почвах. Верхний органогенный горизонт почв является комплексным биогеохимическим барьером и аккумулирует в себе тяжелые металлы. Однако, в процессе деградации экосистем и развития эрозионных процессов подстилка А1-Ре-гумусовых подзолистых почв утрачивает свою способность аккумулировать тяжелые металлы и сама становится источником загрязнения для сопредельных сред. С глубиной содержание тяжелых металлов в подстилке разко падает, следовательно, разные слои подстилки могут существенно различаться по уровню токсичности. Подстилка более энергично аккумулирует никель, но имеет более низкую величину предела насыщения этим металлом (около 1000 ррга) по сравнению с медыо.

2. По мере приближения к источнику выбросов кислотность атмосферных выпадений для межкронового пространства возрастает незначительно: с 4.8 (контроль) до 4.4 (20 и 7 км) и более существенно - на 0.8 рН единицы ддя под-кронового пространства с минимальным значением 3.4 в подкроновых осадках ельников зеленомошно-кустарничкового и злаково-кустарничкого. Градиент по выпадениям Си н N1 для исследованных БГЦ составил почти 2 порядка. Концентрация сульфат-иона для межкронового пространства возрастает однонаправяен-но с 2 (контроль) до 6 (7 км) мг/л; для подкронового с 15 (контроль) до 58 мг/л с наиболее высоким значением в ельнике зеленомошно-кустарничковом (36 км) и злаково-кустарничковом (20 км).

3. В пределах ВГЦ техногенный поток активно перераспределяется дт>' весным ярусом, обусловливая существенно более высокий уровень посту тяжелых металлов, 504 и иона водорода в почву подкроновых парцелл

4. Одним из основных факторов обусловливающих пр'

неоднородность свойств почв в пределах ельника зеленомошно-кустарничкового является древесный ярус. Он дифференцирует почвы по морфологическим признакам: структуре, мощности, запасам подстилки; степени гумификации органического вещества, соотношения СпсСфк, емкости катнонного обмена, содержанию и запасам Са в подстилке. Однако, не смотря на очень большое различие в кислотности атмосферных осадков, поступающих под кронами и на открытом месте, различия в кислотности органогенного горизонта между парцеллами выявлено не было. Эти различия проявились только в минеральной части профилей -наиболее кислая обстановка здесь характерна для подхроновых парцелл. В минеральной части профилей парцеллы различаются по интенсивности осветленности элювиального горизонта, окраске и степени дифференцированности на подгори-зонты иллювиального горизонта и химическим характеристикам, ответственным ia эти морфологические проявления: содержанием Сорг. и железа, а также соотношением аморфных органических и неорганкчепмх соединений железа.

5. Подстилка А1-Ре-гукусовых подзолистых почв обладает очень высокой буферной способностью по отношению к кислым осадкам.

6. Непосредственное воздействие возрастающих доз основных компонентов аэротехногенных выбросов с подстилкой могут вызывать снижение содержания обменных оснований и повышение кислотности в ней.

7. Изменение физико-химических свойств подстилки под воздействием техногенного фактора в природных условиях специфично для отдельных парцелл или их групп и определяется не столько кислотностью атмосферных выпадений, сколько теми изменениями в структуре фитоценоза, которые произошли под

. воздействием техногенного фактора. При этом косвенное воздействие техногенного фактора за счет изменения естественных параметров потока вещества в почву в результате выпадения из структуры фитоценоза доминантных ендов растений может усиливать действие техногенного фахгора (подкислять) или иметь противоположенный эффект (подщелачивать).

8. Наиболее очевидные изменения физико-химических свойств в минеральной части профилей связано с нарушением профильной дифференциации органического вещества в результате развития эрозионных процессов. Обогащение минеральных горизонтов органическим веществом сопровождается повышением емкости катяонного обмена, гидролитической кислотности и содержания

обменных оснований.

9. В органогенном горизонте трансформированного ряда еловых БГЦ по мере приближения к источнику выбросов наметилась тенденция к уменьшению содержания органического глерода, повышению степени гумифицированности органического вещества и приобретению гумусом более гуматного характера.

10. По мере приближения к источнику выбросов в органогенном горизонте возрастает содержание железа, кальция и магния, в том же направлении возрастает их содержание в почвообразующей породе. В наиболее разрушенных БГЦ отметмечается резкое снижение содержания марганца и фосфора

и степени обогащения органогенного горизонта этими элементами по сравнению с почвообразующей породой.

11. Вслед за разрушением коренного фитоценоза начинают развиваться эрозионные процессы в почве: подстилка изменяет свое сложение, утрачивается четкость перехода между горизонтами Ао-А2-ВЬП, минеральные горизонты обогащаются органическим веществом. Развитие-злаков способствует закреплению почвенного профиля, однако этот процесс ограничен в пространстве.

12. В качестве показателей состояния экосистемы наиболее информативным на ранних стадиях их разрушения является содержание тяжелых металлов в подстилке; на более глубоких - состав катионов почвенного поглощающего Комплекса, доля обменных форм соединений от валового их содержания, содержание важных для питания растений марганца и фосфора.

13. Различия свойств исследованных БГЦ определяются не только различиями в уровне техногенной нагрузки, но еще как минимум 3 группами факторов: 1) исходами различиями валового химического состава почвообразующих пород; 2) косвенным воздействием техногенного фактора посредством нарушения естественных параметров потока вещества в почву из-за разрушения структуры фитоценоза; 3) косвенным воздействием техногенного фактора посредством нарушения профильной дифференциации органического вещества в результате развития эрозионных процессов.'

Список работ, опубликованных по материалам диссертации.

1. Кашулина Г.М., Крючков В.В. Закономерности загрязнения почв тяжелыми металлами в окрестностях предприятий и пути рекультивации почвенного

покрова. Тезисы научно-технической конференции "Мелиорация, использование и охрана почв Нечерноземной зоны СССР", Москва, 1980, с.184.

2. Кашулина Г.М. Оценка состояния почвенного покрова и загрязненности почв тяжелыми металлами в зоне влияния горно-металлургического предприятия // Состояние природной среды Кольского Севера и прогноз ее изменения. Апатиты, 1982, с. 118- 123.

3. Кашулина Г.М., Колесников H.H. Методические особенности контроля загрязнения почв тяжелыми металлами в подзоне Северной тайги // Мониторинг природной среды Кольского Севера. Апатиты, 1984, с.36-38.

4. Кашулина Г.М. Воздействие аэротехногенных выбросов лромпредприятий на почвенный покров в условиях Северной тайги // Бюллетень почвенного тети-тута им. В.В.Докучаева, ХХХУП выпуск. Москва, 1985, с.46-48.

5. Кашулина Г.М. Загрязнение подзолистых почв под влиянием аэротехногенных выбросов предприятий цветной металлургии U Тезисы XI Всесоюзного симпозиума "Биологические проблемы Севера" Вып.1. Почвы и лес. Якутск, 1986. с. 102-103.

6. Кашулина Г.М., Никонов В.В. Дыхание Al-Fe-гумусовых подзолов северотаежных ельников в зоне техногенного воздействия // Тезисы совещания 'Диагностика деградации и воспроизводства лесных почв. Тарту, 1987, с.77-78.

7. Кашулина Г.М. Содержание и запасы тяжелых металлов в подстилке ельников, подверженных техногенному воздействию II Антропогенное аоздействие на экосистемы Кольского Севера. Апатиты, 1988, с.51-54.

8. Кашулина Г.М., Никонов В.В. Состав органического вещества подстилки подзолистых Al-Fe-гумусовых подзолистых почв в зоне техногенного воздействия II Агрохимические и почвенные исследования в ботанических садах. Апатиты, 1988, с. 42-46.

9. Кашулина Г.М. Техногенные преобразования органического вещества и физико-химических свойств подстилки подзолистых Al-Fe-гумусовых почв // Тезисы докладов VIII Съезда почвоведов. Кн.4, Новосибирск, 1989, с. 162.10. Кашулина Г.М. Физико-химические свойства Al-Fe-гумусовых подзолов

техногенно трансформированных еловых биогеоценозов //Почвообразование на Кольском Севере. Апатиты, 1989. с. 59-72.

11. Кашулина Г.М. Некоторые особенности внутрибиогеоценотичесхих разли-

чий свойств А1-Ре-гумусовых подзолов // Структура и функции наземных и водных экосистем Севера в условиях антропогенного воздействия. Апатиты, 1990,

12. Кашулина Г.М. Внутрибиогеоценотичесхое варьирование физико-химических свойств и состава органического вещества подстилок Al-Fe-гумусо-вмх подзолов И Исследование почв на Европейском Севере, Архангельск, 1990. с.55-56.

13. KashuHna G.M. Spatial variation in podzol development in a spruce ecosystem in the Kola Peninsula / Researh into forest damage connected with air pollution in Finnish Lapland and the Kola Peninsula of the USSR. Finland, Rovaniemi, 1991. P.142-152.

14. Kashuiina G.M. Long period effect of S02 and heavy metal air pollution on properties of podzolic soils. Abstracts 2nd International Symposium on Environmental Geochemistry. Uppsala, 1991. P. 135-136.

15. Кашу.пина Г.М. Некоторые тенденции изменения содержания элементов биофилов в подстилках Al-Fe-гумусовых подзолистых почв технеген-но-трансформировакных еловых биогеоценозов. Тезисы научной конференции " Эколого-географические проблемы сохранения и восстановления лесов Севера", Архангельск, 1991, с. 133-136.

16. Kashuiina G.M. Precipitation quality and soil properties in spruce ecosystems subjected to industrial air pollution // Tikkanen, E., Varmola, M. & Katermaa T. (Eds.) Symposium on the State of the Environment and Environmental Monitoring in Northern Fennoscan-dia and the Kola Peninsula. Extended abstracts. Rovaniemi, Finland, 1992. P.284-287.

c.71-84.