Эвапотранспирационная миграция химических элементов в ландшафтах

Мельчаков, Юрий Леонидович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Эвапотранспирационная миграция химических элементов в ландшафтах
ВАК РФ 25.00.23, Физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов

Автореферат диссертации по теме "Эвапотранспирационная миграция химических элементов в ландшафтах"

На правах рукописи

004601101 МЕЛЬЧАКОВ Юрий Леонидович

ЭВАПОТРАНСПИРАЦИОННАЯ МИГРАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЛАНДШАФТАХ (НА ПРИМЕРЕ УРАЛА)

Специальность 25.00.23. - Физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

¡1 5 АПР 2010

Москва - 2009

004601101

Работа выполнена на кафедре физической географии Уральского государственного педагогического университета

Официальные оппоненты: доктор геолого-

минералогических наук, профессор

Алексеенко Владимир Алексеевич

доктор биологических наук, профессор

Ермаков Вадим Викторович

доктор биологических наук, ведущий наз^чный сотрудник Карпова Елена Анатольевна

Ведущая организация: Ботанический сад Уральского отделения РАН

/Л м

Защита состоится « '' » _2010 г. в _ часов на

заседании диссертационного совета Д 212.154.29 при Московском педагогическом государственном университете по адресу 129278, г. Москва, ул. Кибальчича, 16, ауд. 31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского педагогического государственного университета по адресу: 119435, г. Москва, ул. Малая Пироговская, д. 1

«Л 0)

Автореферат разослан « » _2010 года

Ученый секретарь

диссертационного совета —' Роготень Н.Н.

рг

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Введение

Актуальность темы. В начале 60-х гг. XX в. при решении ряда практических задач было обращено внимание не только на водную и биологическую миграцию, изучение которых имеет довольно длительную историю, но и на аэральную миграцию химических элементов. Импульсом послужила гонка вооружений, испытания ядерного оружия и взаимная разведывательная деятельность двух сверхдержав: в частности, забор проб воздуха в районах взрывов атомных бомб с последующим анализом. Важное значение имела и разработка геохимических методов поиска полезных ископаемых (атмобиогеохимический метод). С 70-х гг. XX в. новым импульсом к изучению стала тревога мировой общественности по поводу состояния окружающей среды, в том числе важнейшего ее компонента — атмосферного воздуха (Barringer, 1977; Davies, Wixson, 1985; Hanssen et al., 1980; Mouse, Fernandez, 1987; Nriagu, Pacyna, 1988; Page, Ganje, Joshi, 1971; Salmon et al., 1978; Steinnes et al., 1989 и др.).

В научных центрах разных стран было проведено детальное изучение фракционного состава воздуха нижней тропосферы (Миклишанский и др., 1978). Распределение, источники поступления химических элементов в атмосферу рассмотрены зарубежными учеными (Boutron, Martin, 1980; Nriagu, 1989; Pacyna, 1986).

Химия атмосферы стала одной из наиболее актуальных проблем естествознания (Заварзин, 2004).

Фундаментальные подходы к оценке аэральной миграции на глобальном уровне путем определения массопереноса химических элементов были разработаны В.В. Добровольским (1980, 1998), а на региональном уровне — Н.Ф. Глазовским (1985а, 1986).

В комплексе миграционных процессов атмосферный поток продуктов эвапогранспирации является одним из наименее изученных, не установлено его экологическое значение. В специальной литературе не показано соотношение эвапотранспирации с другой ветвью аэральной миграции: атмосферными выпадениями — в пределах какого-либо конкретного региона.

В изучении атмосферной миграции доминирует традиционный подход в геохимии: ученые оперируют с концентрациями элементов. Сравнительно небольшое число специалистов перешло на новый уровень исследований, предполагающий выяснение закономерностей миграции масс элементов, вовлекаемых в атмо- и биогеохимические циклы.

Постановка проблемы. Как известно, в современном представлении биосфера — термодинамически открытая, саморегулирующаяся глобальная система, в которой в неразрывной связи существуют инертное вещество в трех фазовых состояниях, разнообразные формы жизни и их метаболиты. Самоорганизация биосферы базируется на представлении о цикличности

миграции вещества, которая поддерживает стационарное состояние системы. Цикличность — это не абстрактное движение атомов: каждый миграционный поток слагается из вполне конкретных миграционных форм химических элементов, которые вовлекаются в один миграционный поток, но не могут быть включены в другой поток. Один и тот же элемент ведет себя совершенно неодинаково в зависимости от того, входит ли он в фермент в живом организме, мигрирует в виде иона в речной воде, находится в сорбированном состоянии на поверхности частицы или внутри обломка минерала (Добровольский, 1983). Соответственно познание цикла возможно путем изучения тех форм химических элементов, которые вовлекаются в данный цикл. Эти идеи были высказаны еще в первой половине XX в. В.И. Вернадским (1927) и В.М. Гольдшмидтом (1938 а, б).

В.И. Вернадский (1940) ввел в науку понятие «живое вещество» и показал его исключительно важную роль в миграции химических элементов и термодинамике планеты в целом. Однако в структуре геохимической стороны жизнедеятельности организмов одна из форм миграции осталась вне детального рассмотрения — миграционный поток газовых форм химических элементов в системе «растительность — атмосфера».

Хорошо известно, что растения в процессе фотосинтеза непрерывно вовлекают в миграцию огромные массы углекислого газа, связывают его в органическое вещество и выделяют эквивалентные массы кислорода. Помимо этого химические элементы в процессе жизнедеятельности растений переходят в газовую форму нахождения. Экспериментально установлено, что терпены, продуцируемые лесными массивами, несут тяжелые металлы. Поэтому их содержание в воздухе над рудными телами повышается (Barringer, 1977).

Данное исследование посвящено проблеме особого вида миграции химических элементов: аэралыюго потока продуктов эвапотранспирации. Систематических исследований в этой области не проводилось, хотя и имеются первые результаты определения миграции элементов, обусловленной транспирацией (Немерюк, 1970; Curtin, King, Mosier, 1974; Ахмедсафин, Гребенюков, Иванов, 1978; Елпатьевский, 1993; Кудерина, 1999; Мельчаков и др., 2001г; Добровольский, Мельчаков, Учватов и др., 2003; Мельчаков, 2005 и др.).

Решение поставленной проблемы невозможно без параллельного изучения других видов миграции, в первую очередь — газовых форм элементов в системе «почва — атмосфера». Важность данного направления исследований обусловлена тем, что газовый состав атмосферы, в первую очередь ее реакционноспособных компонентов, зависит от функционирования микробной системы (Заварзин, 2004).

Таковы исходные теоретические положения и подходы к решению проблемы оценки эвапотранспирационной деятельности растительности как особой формы миграции химических элементов.

Цель исследования — решение крупной научной проблемы в области географии, геохимии ландшафтов, биогеохимии, экологии и охраны окружающей среды: изучение аэрального потока продуктов эвапотранспирации и его роли в системе миграционных процессов, установление закономерностей этого явления на примере Урала и разработка методики исследования данного вида миграции химических элементов.

Выбор Урала в качестве объекта исследования обусловлен его субмеридиональным расположением, позволяющим провести сравнительно-географический анализ аэральной миграции элементов в нескольких природных зонах.

Задачи исследования:

1. Установить количественные параметры атмосферных выпадений элементов и их сезонный тренд в основных зональных типах ландшафтов Урала.

2. Изучить геохимический аспект эвапотранспирации в ландшафтах таежной и степной зон Урала.

3. Оценить относительный вклад лесных ярусов в общий эвапотранспирационный поток.

4. Установить роль эвапотранспирации в системе миграционных потоков химических элементов.

5. Разработать и апробировать приемы исследования аэрального потока продуктов эвапотранспирации.

Объест исследования и исходные материалы. В основу диссертации были положены результаты ландшафтно-геохимических исследований, проводившихся автором в 1980—2008 гг. в пределах Уральского региона и сопредельных равнин. Район полевых исследований вытянут с севера на юг согласно простиранию Уральских гор: от 61° с. ш. (заповедник «Денежкин Камень» на севере Свердловской обл.) до 51° с. ш. (г. Орск на юге Оренбургской обл.). Было отобрано 840 проб природных вод (из них осадков— 179, суммарных атмосферных выпадений — 430, поверхностных вод— 122, конденсатов эвапотранспирационных испарений— 56, смывов с растений—71) и 149 проб растений. Были организованы экспедиции для сбора материалов во все сезоны года и выполнены маршрутные наблюдения. Выводы исследования основываются на 21 630 элементоопределениях в пробах. Аналитическая обработка выполнена в лабораториях географического факультета МПГУ, биологического факультета МГУ, ИМГРЭ, а также в лаборатории физико-химических методов анализа Института химии твердого тела УрО РАН и в центре химико-аналитических испытаний «Эксорб» (г. Екатеринбург).

Научная новизна. Исследован малоизученный вид миграции — аэральный поток продуктов эвапотранспирации и установлена его роль в системе миграционных потоков химических элементов.

Установлены масштабы эвапотранспирационного потока.

Сделано заключение, что рассматриваемая миграция является важным компонентом биогеохимического цикла большинства встречающихся в природе элементов.

Выявлены сравнительно-географические особенности изученного вида миграции.

Определены количественные параметры суммарных атмосферных выпадений большинства элементов в фоновых ландшафтах Урала.

Получены новые данные о трансформации состава суммарных атмосферных выпадений элементов пологом древесных растений.

Проведено сопряженное изучение основных миграционных потоков элементов: атмосферных выпадений, трансформированных и ^трансформированных растительностью, опада, эвапотранспирации, выноса с речным стоком — в типичных ландшафтах Урала.

Выработаны практические рекомендации для природоохранных органов.

Личный вклад соискателя. В основу исследования была положена авторская методология и методика изучения аэрального потока продуктов эвапотранспирации. На протяжении 1980—2008 гг. соискатель руководил и принимал непосредственное участие в экспериментальных исследованиях: в сборе, подготовке и аналитической обработке проб природных объектов. Весь фактический материал был обработан автором лично.

Основные темы НИР: в Институте Гипроникель (г. Санкт-Петербург) «Изучение атмосферной миграции химических элементов и определение их" содержаний в почвах в районе размещения комбината «Южуралникель» (1986—1989 гг., научный руководитель и ответственный исполнитель); в Институте экологии растений и животных УрО АН СССР (г. Екатеринбург) «Атмосферная миграция химических элементов в Серовском и Каменском районах Свердловской области» (1989—1991 гг., ответственный исполнитель); Институте промышленной экологии УрО АН СССР (г. Екатеринбург) «Состояние загрязнения атмосферного воздуха по результатам снегогеохимических исследований» (1989—1991 гг., ответственный исполнитель); в УрГПУ (г. Екатеринбург) «Атмосферная миграция химических элементов на Урале» (в сотрудничестве с Институтом химии твердого тела УрО РАН с 2000 г.).

Практическое значение работы. Результаты диссертационных исследований вошли в отчеты ряда научно-исследовательских институтов (Института экологии растений и животных УрО АН СССР, г. Екатеринбург, Института промышленной экологии УрО АН СССР, г. Екатеринбург, Института экспериментальной метеорологии, г. Обнинск Калужской обл., Института Гипроникель, г. Санкт-Петербург), а также приняты для использования в Главное управление федеральной службы по надзору в сфере природопользования (Росприроднадзора) по Уральскому федеральному округу.

Автор участвовал в выполнении координационного плана отделения биохимии, биофизики и химии физиологически активных соединений АН

СССР научно-исследовательских работ по проблемам микроэлементов в биологии на 1986-1990 гт.

Отдельные разделы диссертации используются в авторских курсах лекций «Общее землеведение», «Геохимия ландшафта», «Методика геохимического мониторинга», «География региональных экологических проблем» на географо-биологическом факультете Уральского государственного педагогического университета, а также в курсах «Экология», «Концепции современного естествознания» в Университете Российской Академии Образования.

Результаты исследований отражены в учебном пособии для студентов педагогических университетов «Окружающая среда: контроль и рекомендации. 4.1. Екатеринбург, 1999».

Апробация работы. Результаты работы опубликованы в 3 монографиях, учебном пособии, 40 статьях и 13 депонированных рукописях и тезисах докладов на конференциях.

Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на конференциях и совещаниях: на заседании комиссии геохимии ландшафта Московского филиала Географического общества СССР (Москва, 1983), на Ленинских чтениях МГПИ имени В.И. Ленина (Москва, 1983), X Всесоюзной научной конференции «Микроэлементы в биологии и их применение в медицине и сельском хозяйстве» (Чебоксары, 1986), II Всесоюзной конференции «Тяжелые металлы в окружающей среде и охрана природы» (Москва, 1987), Совещании по проблемам биогеохимии в Институте геохимии и аналитической химии АН СССР (Москва, 1988), Республиканской научно-практической конференции «Экономическое воспитание в системе непрерывного образования» (Свердловск, 1991), Республиканском семинаре-совещании «Экологическое образование студентов педвузов в условиях заочной формы обучения» (Н. Новгород, 1993), Международной научной конференции «Проблемы охраны окружающей среды Уральского региона» (Екатеринбург, 1997), Региональной научно-практической конференции «Актуальные проблемы регионального географического, экологического и биологического образования» (Екатеринбург, 2000), Межрегиональной научной конференции «Россия в III тысячелетии: прогнозы культурного развития. Наука. Культура. Искусство. Власть. Государство» (Екатеринбург, 2001), Российско-германской конференции «Александр Гумбольдт и исследования Урала» (Екатеринбург, 2002), Межрегиональной научной конференции «Россия в III тысячелетии: прогнозы культурного развития. Качество жизни: итоги: наука, культура, образование, искусство, власть, производство» (Екатеринбург, 2002), на заседании комиссии геохимии ландшафта Московского филиала Русского Географического общества - Полыновских чтениях (Москва, 2004, 2006), на заседании кафедры геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета МГУ (Москва, 2006), Международной научной конференции «Геохимия биосферы» (Москва, 2006), четвертом Международном совещании «Геохимия биосферы» (Новороссийск, 2008),

шестой Международной биогеохимической школы (Астрахань, 2008), пятом Международном совещании «Геохимия биосферы» (Новороссийск, 2009).

Кроме того, результаты были опубликованы в материалах конференций: четвертой Российской Школы «Геохимическая экология и биогеохимическое изучение таксонов биосферы» (Москва, 2003), International Scientific Quality of Air Protection 2008 (Belgrade, 2008), International Conference on Globalization and Environment (Belgrade, 2009), Всероссийской научно-практической конференции «География и современные проблемы естественно-научного познания», Международной научно-практической конференции «Экологическая геология: научно-практические, медицинские и экономико-правовые аспекты» (Воронеж, 2009).

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 399 наименований (в том числе 169 иностранных). Работа включает 295 страницы (вместе с приложением 338 страницы), содержит 72 рисунка и 68 таблиц.

Автор выражает глубокую признательность доктору географических наук, профессору, заслуженному деятелю науки РФ В.В. Добровольскому за многолетнюю всестороннюю помощь. Автор благодарен всем сотрудникам лаборатории геохимии ландшафта МГПИ, а также декану географо-биологического факультета УрГПУ профессору В.Г. Капустину и коллегам по кафедре за содействие в исследованиях. Автор признателен д.б.н. В.П. Учватову, д.х.н. В.П. Ремезу, д.х.н. Е.В. Полякову, с.н.с. В.Т. Сурикову, В.В. Соболеву, А.Е. Квашниной и К.А. Возьмителю за практическую помощь в работе. Автор благодарит зав. кафедрой геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета МГУ академика РАН Н.С. Касимова и его коллег профессора А.Н. Геннадиева и с.н.с. Е.М. Никифорову за ценные консультации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Геохимия аэрозолей и аэральный элементоперенос: глобальный и региональный аспекты

В результате непрерывного циклического обмена между системами «суша — атмосфера» и «океан — атмосфера» аэрозоли поступают в воздух и удаляются из него вместе с атмосферными осадками и в форме сухих осаждений; при этом обе системы не существуют изолированно (Добровольский, 2003а). В среднем, интервал времени, в течение которого аэрозоли присутствуют в атмосфере, оценивается примерно в 5 суток (Warneck, 1988). Частицы размером 0,1—0,01 мм могут переноситься в нижних слоях тропосферы на сотни - первые тысячи километров, дальность переноса аэрозолей величиной 1—10 мкм достигает 10 тыс. км (Лисицин, 1978).

Химический состав аэрозолей даже в удаленных от промышленных центров районах суши может различаться на порядки величин. Так,

концентрации (в нг/ м3) Al, Са, Fe изменяются от единиц до сотен, С1 — от единиц до тысяч, К, Mg — от десятков до сотен, As, Сг, Se, Ti — от сотых долей до единиц, Br, Cd, Cu, Ni — от десятых долей до десятков, Pb, Zn — от десятых долей до сотен. Содержание большинства из перечисленных элементов над Северным Ледовитым океаном ниже в разы или на порядок, чем в сельских районах (Cunningham, Zoller, 1981; Davidson, Goold, Mathison et al., 1985; Matschullat et al., 2000; Pacyna, Ottar, 1985; Rojas, Figueroa, Janssens et al, 1990; Wake et al., 1994).

В приземных слоях атмосферы урбанизированных районов содержание многих главных и рассеянных элементов в разы или на порядок больше, чем приведенные для континентов значения (Lee et al., 1994).

Для оценки избирательной аккумуляции химических элементов в аэрозолях В.В. Добровольским (1980) предложен коэффициент аэрозольной концентрации: Ка = А / К, где А — содержание элемента в твердой фазе аэрозоля; К — кларк этого же элемента в гранитном слое континентальной земной коры. Выяснилось, что аэрозоли обогащены рядом металлов, прежде всего Cd (Ка> 100), Pb, Sn (50—100), Zn, Cu, Ni, Cr (10—50).

Установлено, что ряд присутствующих в тропосфере элементов (I, As, Hg, Zn, Cu, Pb) находятся в парогазовой форме, причем указанные элементы тесно связаны с мелкой фракцией аэрозолей (Benjamin, Honeyman, 1992).

Сложную проблему представляет установление источников парогазового потока тяжелых металлов и близких им элементов с переменной валентностью (Добровольский, 2003 а). Один из них — деятельность бактерий, плесневых грибов и высших растений.

Несмотря на недостаточную изученность этих процессов, принципиальная схема вовлечения химических элементов в атмосферную миграцию в системах «почва — атмосфера» и «растительность — атмосфера» известна и показана в ряде работ (Баргальи, 2005; Башкин, Касимов, 2004; Заварзин, 2004; Исидоров, 1985; Квеситадзе, 2005; Bargagli, 1993; Bunce, 1994; Griffitts, Skilleter, 1991; Selenium ..., 1994; Winfrey, Rudd, 1990).

Известны некоторые оценки фитогенного массопереноса (Artaxo, Storms, Bruynseels et al., 1988; Beaufort et al., 1975,1977; Nriagu, 1989).

В целом анализ специальной литературы позволяет сделать следующие выводы: 1. В настоящее время нет достаточно полного представления по рассматриваемой проблеме, данные разных авторов могут различаться в разы и даже на порядок. 2. В комплексе атмосферной миграции эвапотранспирация является одной из наименее изученных, не показано ее соотношение с другой ветвью аэральной миграции: атмосферными выпадениями — в пределах какого-либо региона. 3. Некоторые из источников потока элементов в атмосферу характеризуются небольшими абсолютными величинами массопереноса. Однако с учетом правила суммирования малых геохимических доз в масштабе геологического и педологического времени последствия биогеохимического круговорота подвижных форм элементов становятся чрезвычайно существенными (Касимов, 2006).

Глава 2. Физико-географическая характеристика ключевых участков

При планировании ключевых участков (рис. 1) были учтены методические приемы, применяемые при почвенных, гидрохимических, ландшафтно-геохимических, ландшафтных и других исследованиях.

Физико-географическая характеристика ключевых участков дается по компонентам: рельеф и геологическое строение, климат, воды, растительность, почвы. Дополнением к традиционной физико-географической характеристике являются геохимические следствия особенностей компонентов ландшафтов.

Глава 3. Методика полевых и камеральных исследований

Автором разработаны методологические принципы изучения эвапотранспирационной миграции химических элементов и по единой методике выполнены исследования в ландшафтах Северного, Среднего и Южного Урала (рис. 1).

Для оценки элементопереноса из атмосферы на земную поверхность в холодный период года были отобраны пробы снежного покрова в конце зимнего периода.

При исследованиях на территории заповедника «Денежкин Камень» был использован ГИС района. Основа ГИС создана с помощью программного обеспечения Arc/Info, версия 7.1.1 и ERDAS, а также Imagination. 8.3. Топографическая основа масштаба 1:25 ООО. Работали в версии Arc Map. 9.0. На основе имеющихся картографических слоев информации (измерения высоты снежного покрова, карта лесоустройства и космоснимки) созданы карты распределения снежного покрова по территории заповедника. Первичная информация, полученная по данным ГИС заповедника «Денежкин Камень», предоставлена научными сотрудниками заповедника А. Е. Квашниной и К. А. Возьмитслем.

В теплый период года были отобраны суммарные выпадения: твердые и жидкие. Для сбора проб использовались емкости, частично заполненные дистиллированной водой (Мельчаков, 1999). Во всех случаях выполнялась консервация проб путем подкисления (из расчета 3 мл HN03 на 1 л дистиллированной воды). Некоторые различия в методике определялись спецификой изученных ландшафтов.

В таежных ландшафтах исследовались поляны и подкроновые пространства под хвойными деревьями. Таким образом, были рассчитаны два параметра: атмосферные выпадения, трансформированные растительностью, и нетрансформированные растительностью. Согласно рекомендациям В. П. Учватова и Н. Ф. Глазовского (1982) осадкопылеуловители располагались в средней части подкронового пространства. Для обеспечения достоверности и определения вариабельности на каждой исследуемой площадке устанавливали 3—4 уловителя.

С целыо изучения аэрального потока продуктов эвапотранспирации

был поставлен эксперимент (Добровольский, Мельчаков, Учватов и др., 2003). При выборе камерного метода исследования автор опирался на установленный факт самостоятельной выработки растениями основных компонентов воздуха в изолированном пространстве (Буссенго, 1957). Ранее данный прием неоднократно применялся для анализа воздуха внутри камеры (Одум, 1975; Rasmussen, Went, 1965) и конденсатов на стенках камеры (Немерюк, 1970; Curtin et al„ 1974).

Для оценки массопотоков от разных лесных ярусов были использованы два варианта методики.

Для исследования аэрального потока от древесного яруса на участке «Гора Пшеничная» (рис. 1) были выбраны типичные древесные растения: береза бородавчатая, лиственница Сукачева, сосна обыкновенная и ель сибирская. На участке «Массив Денежкин Камень» (рис. 1) - кедр сибирский, пихта сибирская, ель сибирская и береза бородавчатая. Исследовались ветки примерно одинакового размера, находящиеся на одной высоте над уровнем земли и имеющие разную ориентировку по сторонам горизонта. Кроме того, были учтены и другие требования к пробоотбору с целью биомониторинга (Методические..., 1987; Djingova, Kuleff, 1994; Emst, 1990; Markert, 1993; Markert, Klausmeyer, 1990).

На ветви деревьев были надеты и плотно завязаны новые полиэтиленовые мешки - влагоуловители, предварительно промытые подкисленной дистиллированной водой (из расчета 3 мл HN03 на 1 л воды). По мере накопления влаги на стенках мешка она собиралась одноразовым шприцем. Затем были получены смешанные пробы конденсатов, собранные с 7—10 деревьев с учетом видовых различий в продуцировании выделений.

Объемы выделений изменялись в зависимости от погодных условий: в одном мешке собиралось за сутки от долей до единиц миллилитра. Отбор конденсатов производили в течение 4—6 дней (в начале эксперимента - в течение 35 дней) без длительных перерывов. Интервалы в сборе могли внести некоторую ошибку, завышая или занижая полученные результаты: концентрация ксилемного сока подвержена суточной цикличности (Крамер, Козловский, 1983). Кратковременные съемы уловителей были необходимы для забора конденсатов (2—4 раза в сутки), вероятно, в это время изолируемые части деревьев восстанавливали свое нормальное функционирование.

Во избежание попадания в мешок дождевой воды ветви деревьев приподнимались до горизонтального положения и фиксировались шпагатом.

Для оценки массопотока от поверхности почвы и травянистых растений в атмосферу был использован другой вид влагоуловителя: специально сконструированная полиэтиленовая палатка на двух стойках размером 2 * 2,5 м без днища. Забор проб осуществлялся в центральной части хорошо освещенных полян с ровной поверхностью, на которых доминировали вейник наземный, земляника лесная, герань лесная, чина весенняя (участок «Гора Пшеничная») и черника обыкновенная, грушанка круглолистная (участок

«Массив Денежкин Камень»). В качестве пробоотборника конденсатов использовалась половинка полуторалитровой полиэтиленовой бутылки, разрезанной вдоль. Из нее отбор влаги осуществлялся одноразовым шприцем. Для исключения загрязнения конденсатов все компоненты влагоуловителя тщательно промывались подкисленной дистиллированной водой. Для сбора конденсатов надевалась обработанная полиэтиленовая накидка. В самой нижней части палатки сбор проб не осуществлялся.

Интервал пробоотбора определялся погодными условиями и необходимостью исключить потери влаги, стекающей на землю.

Аналогично сбору конденсатов с ветвей деревьев были получены смешанные пробы: влагоуловители устанавливались в трех местах.

Для изучения водной миграции производили отбор проб поверхностных вод во все сезоны года, в ряде случаев — по несколько раз за сезон.

Расчеты величин выноса водорастворимых форм элементов с речным стоком производились с использованием собственных материалов по элементному составу изученных рек (рис. 1) и данных по модулям стока (карты атласов Свердловской, Челябинской и Оренбургской областей).

С целью изучения биогенной миграции отбирали пробы типичных растений на исследуемых участках. Для получения средней пробы были взяты 7—12 экземпляров растений. Количество средних проб для каждого участка составляло 3 — 7.

Все традиционные полевые работы в диссертации описаны менее подробно.

Лабораторные работы

На первом этапе исследований использовали традиционные методы анализа, на заключительном —ICP-MS метод, обеспечивающий одновременное определение большого количества элементов в широком диапазоне концентраций с низкими пределами обнаружения.

Обработка аналитических данных

В природных объектах определяли содержание до 72-х элементов: 9-ти главных (макроэлементов), и 63-х элементов с низкой концентрацией, или рассеянных в соответствии с подходом В.В. Добровольского (1983). Последние были разделены на рассеянные литофильные, халькофильные и сидерофильные элементы.

Результаты анализов обрабатывались методами математической статистики (Беус и др., 1976; Глотов и др., 1982; Лакин, 1990; Снытко, 1978 и др.). Рассчитывались средние арифметические, средние взвешенные, средние геометрические, выборочные дисперсии, средние квадратические отклонения, коэффициенты вариации, асимметрии, эксцесса и др. Часть массива данных обработана с помощью программы Microsoft Excel, версия Excel 97.

Рис. 1. Картосхема фактического материала

Условные обозначения к рис. 1 Границы:

■ Уральской горной страны --зональных областей

А таежная область Урала

В лесостепная область Урала

С степная область Урала

Ключевые участки:

«Массив Денежкин Камень» (Северный Урал)

«Гора Пшеничная» (Средний Урал)

«Холмогорье Уртазымское» (Южный Урал)

Участки отбора:

АВ атмосферных выпадений

ФМ конденсатов эвагютранспирационных испарений

ПВ поверхностных вод

П почв

Р растений

Глава 4. Аэральный поток в системе «тропосфера — растительность — почва»

В результате проведенных исследований установлены количественные закономерности аэрального переноса в системе «тропосфера — растительность — почва» в основных зональных типах ландшафтов Урала.

Получена количественная оценка атмосферного массопотока большинства химических элементов в фоновых Горных ландшафтах Северного Урала (рис. 2—3). Определено, что перенос элементов в теплый сезон, как правило, на порядок выше значений холодного периода. Указанный

тренд закономерен: зимой активность живого вещества значительно замедляется, соответственно ослабевает воздействие полога леса на атмосферные выпадения (Мельчаков и др., 2003; Мельчаков, Учватов, Квашнина и др., 2004) и уменьшаются масштабы аэрального потока продуктов эвапотранспирации (см. главу 5).

Получены новые данные о трансформирующем влиянии древесных растений на состав атмосферных выпадений: в холодное время года, в отличие от теплого, рассматриваемый эффект проявляется слабо. Такое наблюдение дополняет результаты исследований, выполненных в Центральной России, где зимой полог древесных растений усиливает в п раз миграционный поток «тропосфера — почва» (Учватов, 1995). Анализируемый эффект в теплый период года усиливается, хотя и не является абсолютным.

В пределах Южного Урала вне зон активного техногенеза установлен четко выраженный барьерный геохимический эффект. 1. Величины атмосферных выпадений выше в несколько раз или на порядок в среднегорьях по сравнению с предгорьями. 2. Аналогичное превышение атмосферных выпадений отмечено в западных предгорьях по сравнению с восточными. Отмеченные тенденции четче проявляются в группе главных элементов. 3. Установлен геохимический эффект «барьерной тени»: атмосферные выпадения на участке среднегорий, находящемся в «барьерной тени», ниже, чем на равнинах. Основная причина барьерного геохимического эффекта заключается в активизации атмосферных процессов над Уралом. Эта природная особенность региона определяет более интенсивное взаимодействие аэрозолей с облачными образованиями и атмосферными осадками и рост количества осадков, вымывающих аэрозоли (Мельчаков и др., 20026).

масс.ет/кьАгод

4.00

3.50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00

Са К Мц г № Ке а А1 Р

I 2

3 4 _

Г| Г-|

- - п

- 1 -

- - - - - - - -

"1--—-1-1--Н—-1-—-Г

Рис. 2. Массы главных элементов, мигрирующих в среднетаежных ландшафтах; — водорастворимые формы атмосферных выпадений,

трансформированных растительностью; 2 — валовые формы опада;

3— эвалотранспирационный поток водорастворимых форм; 4 — вынос с речным стоком водорастворимых форм

масс,г/км2.гад

2 3

- —

4 — - - -1 - п ; -

- - - - - - - Г -

Мп Си 7п В ГЪ № С с! Лг ге Со

Рис. 3. Массы рассеянных элементов, мигрирующих в среднетаежных ландшафтах:

1 - - водорастворимые формы атмосферных выпадений,

трансформированных растительностью;

2 ■— валовые формы опада;

3— эвапотранспирационный поток водорастворимых форм;

4 — вынос с речным стоком водорастворимых форм

Определено, что величины выпадений большинства элементов выше (обычно в разы) в фоновых горных таежных ландшафтах Южного Урала по сравнению с аналогичными ландшафтами Северного Урала,

Полученный результат закономерен, т.к. скорость биогеохимического круговорота в ландшафтах Южного Урала выше по сравнению с Северным Уралом и соответственно рассматриваемое звено цикла «работает» активнее. Такое заключение можно сделать на основе анализа влияния периода активных температур на скорости биогеохимических циклов в различных экосистемах (Башкин, Касимов, 2004) с учетом известной разницы в продолжительности периода активных температур в сравниваемых объектах: в южноуральском ландшафте данный период заметно длиннее. Техногенный фактор определил возрастание выпадений лишь 3-х элементов: Б и Р.

Исследованы зональные и внутризональные особенности аэральной миграции элементов вне зон активного техногенеза. Установлены большие диапазоны атмосферных выпадений за зимний период в 8-ми провинциях 3-х областей Урала (в кг/км2): сумма солей — 46—1470, Б04 — 23—466, Ре — 1,4—11,3, Си — <0,39—6,6, гп — 0,5—13,5.

Определено, что в таежной области Среднего Урала величины выпадений в низкогорьях выше, чем в западных предгорьях (соответственно Хп, взятого в качестве примера: 5,1 — 1,3 кг/км2 за зимний период), а выпадения в восточных предгорьях превосходят параметры западных предгорий (соответственно Хп\

13,3 — 1,3 кг/км2). Констатировано возрастание аэротехногенной нагрузки на Среднем Урале с запада на восток.

Дополнительно в пределах провинций выделены районы с наибольшими и наименьшими величинами атмосферных выпадений. Например, в 3-х районах степной провинции Зауральского пенеплена величины выпадений Бе составляют 3,0; 3,6; 7,3 кг/км2 за зимний период (Мельчаков, 2001 г).

Глава 5. Аэральный поток продуктов эвапотранспирации в системе «почва — растительность — тропосфера».

Геохимия эвапотранспирации в таежной области.

Выполнено сравнение химического состава конденсатов эвапотранспнрационных выделений горно-таежного и подгольцового поясов. Определено, что концентрации N3, 81, 8, Са и многих рассеянных элементов в конденсатах растений травяно-кустарничкового яруса горнотаежного пояса выше по сравнению с конденсатами подгольцового пояса (травяно-кустарничкового яруса и поверхности лишенной растительности) и конденсатами древесного яруса горно-таежного пояса.

Указанная разница двух поясов объясняется более высокой интенсивностью биогеохимических процессов в горно-таежном ландшафте. Кроме того, рассматриваемый горно-таежный ландшафт является в известной мере геохимически подчиненным.

Выполнена оценка масс элементов, вовлекаемых эвапотранспирацией в аэральный поток в фоновых таежных ландшафтах (табл. 1—2).

Таблица I

Массы главных элементов, вовлекаемых эвапотранспирацией в аэральную миграцию в ландшафтах Урала, г / км2 • год

Элемент Диапазон значений массопотока и среднее арифметическое (в скобках)

таежные ландшафты степные ладдшафты

Са 100 000—2 500 000 (730 000) 21000-33000(27 000)

Б 350000-550000(430 000) 170000-430 000(300000)

N3 45 000—480 000 (200 000) 55000—190000(120000)

К 38000—230000(130000) 13400-32 000(23000)

Ре 4700-140000(54000) 8900-12000(10400)

М8 9000-130000(45000) 3 300—4 000 (3 700)

й 24000-56000(39000) 8800-23 000(16000)

А1 1 000—93 000(29000) 2300-4 900(3600)

Р 2600-13000(5800) 2200—10 000(6 100)

Таблица 2

Массы рассеянных элементов, вовлекаемых эвапотранспирацией в аэрапьную миграцию в ландшафтах Урала, г / кмг • год

Элемент Диапазон значений массопотока и среднее арифметическое (в скобках)

таежные ландшафты степные ландшафты

Мп 2000-8 500(6300) 440—630 (540)

2п 970—6 500 (3 600) 390-520(450)

В 255-8200(2700) 130—560 (340)

Си 250—3 300 (1 900) 72-320(200)

РЬ 100—2 000(810) 27-410(220)

№ 93-730(330) 63—72 (68)

Бе 10—400 (130) 23-110(66)

са 0,61—90 (58) 0,72-4,5 (2,6)

Ая 3,8-130(43) 0,1-6,3(3,2)

Со 10-41 (22) 13,5—16,2(15)

10—40(20) 0,1-13 (6,6)

В таежных ландшафтах Урала ежегодно с 1 км2 мобилизуется в атмосферу: Са, Б, Иа и К — 100 х п кг, Ре, и А1 — 10 * п кг, Р, Мп, В, Бг,

Ва, 1п и Си — п кг, Т1, Вг, Сг, РЬ, Бе, № — 100 х п г, 1л, 2т, Бс, V, БЬ, А%, Сй, Бп, Аэ, ва, и Со— 10 х п г. Представители группы редких земель и некоторые другие элементы переносятся в очень небольшом количестве, измеряемом 0,1— 1 хпг/км2 ■ год.

Рассматриваемая миграция является существенным компонентом биогеохимического цикла практически всех встречающихся в природе элементов.

Суммарно аэральный массопоток продуктов эвапотранспирации составляет 1,7 т / км2 ' год. По нашим определениям, атмосферные выпадения, трансформированные растительностью, рассчитанные применительно к тому же количеству элементов, измеряются величиной 6,3 т / км2 -год (рис. 2—3), нетрансформированные растительностью — 2,3 т / км2-год. Это свидетельствует о сопоставимости двух видов миграции (Мельчаков, Суриков, 2006). Аналогичный вывод можно сделать, сравнив эвапотранспирацию с вовлечением зольных элементов в биологический круговорот.

В результате анализа соотношения масс элементов, транспортируемых эвапотранспирацией, установлено следующее.

1) Кларки главных элементов в основных породах, по А.П. Виноградову (1962): > А1 > Ре > Са > ^^ > Ка >К > Р > Б — незначительно влияют на анализируемые величины (без сравнения с рассеянными элементами).

2) Обнаружено отличие от соотношения средних концентраций элементов в речных водах, по В.В.Добровольскому (2003): меньшее значение Б! и большее - Р в эвапотранспирации по сравнению с переносом элементов речными водами.

На основании отмеченных особенностей автор делает вывод об избирательном вовлечении химических элементов в эвапотранспирационную миграцию. Соответствующий поток не является только химическим или геохимическим процессом, что представляется закономерным с учетом биогенной природы изученного явления.

3) Активно мигрирующие в большинстве ландшафтно-геохимических обстановок элементы (Б, Са, Ыа и М§), как правило, имеют более значительные величины анализируемого потока, чем слабоподвижные элементы, и наоборот.

4) Элементы энергичного и сильного биологического накопления, как правило, активно участвуют в аэральном потоке, а роль элементов слабого и очень слабого захвата значительно ниже. Явное несоответствие отмечено лишь по 2-м элементам — Р и Бе, причем роль первого в анализируемом потоке меньше, чем это можно предполагать, а роль второго — больше.

5) Сведения о физиологической роли элементов (по Н.Д. Алехиной с соавт. (2005) и Н.И. Якушкиной (2005) имеют ограниченное значение для данного анализа. При наличии искомой положительной корреляции все три элемента: Ка, и А1, не являющиеся необходимыми для жизни высших зеленых растений, занимали бы подчиненное положение в эвапотранспирации, однако это не наблюдается. Вероятно, известные представления о растениях как геохимических насосах в целом соответствуют представленной оценке.

Аналогичные выводы получены при анализе рассеянных элементов.

Таким образом, вопрос о соотношении масс элементов, мигрирующих посредством эвапотранспирации, достаточно сложен. П.В. Елпатьевский (1993) считает, что растения обладают способностью оптимизации минерального питания. Несмотря на различия в концентрациях металлов в питательных растворах, во всех случаях сохраняет свое постоянство круг активно поглощаемых элементов и круг лимитируемых. Поступление токсичных элементов — РЬ, С6, Си, А1 — растениями тормозится. В условиях низкогорья Среднего Сихотэ-Алиня соотношение элементов в рассматриваемой миграции: Са > Ыа > К > Б > Мц > Бе > Ъл > Р > Мп > Си — принципиально не отличается от нашего результата: Са > Б > N3 > К > Бе > > Мп >?>2п> Си. Вероятно, это закономерно (Мельчаков, 2006).

В результате более дифференцированного анализа определен относительный вклад лесных ярусов горно-таежного и подгольцового поясов в эвапотранспирационную миграцию. Главным поставщиком в данном потоке в горно-таежном поясе является травяно-кустарничковый ярус (92 % от общего массопотока), а в подгольцовом вклад травяно-кустарничкового и древесного ярусов примерно одинаков (соответственно 42 и 58 %).

Также установлено, что анализируемые параметры большинства элементов в подгольцовом поясе в несколько раз уступают соответствующим данным горно-таежного пояса (по сумме элементов в 2,7 раза).

Анализ коэффициентов корреляции (табл. 3) свидетельствует о наличии положительной корреляционной связи между рассматриваемыми потоками.

Таблица 3

Коэффициенты корреляции Пирсона (г) между величинами потоков, мобилизуемых ярусами ландшафтов

Группа элементов Сравниваемые объекты"

Горно-таежный пояс Подгольцовый пояс

Травяно-кустарничковый — древесный ярусы Травяно-кустарничковый — древесный ярусы

1. Главные 0,986 0,991

Рассеянные:

2. Литофильные 0,617 0,713

3. Халькофильные 0,998 0,940

4. Сидерофильные 0,997 0,999

Особенности геохимии эвапотранспирации в степных ландшафтах.

Установлено, что эвапотранспирационная миграция химических элементов в ковыльной степи имеет отличия от таежных ландшафтов (табл. 1—2). Массы большинства главных элементов, вовлекаемых эвапотранспирацией в аэральный поток, в 2 и более раза уступают значениям, установленным для тайги. Приоритетность элементов иная: в эвапотранспирации доминирует Б (степь), а не Са (тайга).

Специфика рассматриваемой миграции в степных ландшафтах иллюстрируется следующим примером. Известно, что в зональных элювиальных почвах биологический круговорот и выщелачивание определяют миграцию некоторого количества К и однако их много меньше, чем Са. Поэтому Са занимает господствующее положение в поглощающем комплексе почв. Однако в рассматриваемом массопотоке роль Са и К примерно одинакова, а массы мигрирующего № почти в 5 раз больше, чем Са.

В группе рассеянных элементов существенных отличий от группы главных элементов не обнаружено: массы большинства элементов в 2 и более раза уступают значениям, установленным для тайги. В группе рассеянных литофильных элементов доминируют Вг и Мп: их массы практически равны (в тайге преобладает Мп, а Вг на порядок меньше), в группе рассеянных халькофильных элементов — Хп (как и в тайге).

Установлена достоверность различий тайги и степи по величинам эвапотранспирации применительно к ряду элементов (табл.4).

Суммарно величина аэрального потока продуктов эвапотранспирации в степив3,3 раза ниже, чем в тайге: соответственно 510 и 1700 кг/км2 -год.

Выявленные отличия геохимии двух зон обусловлены комплексом ландшафтно-геохимических факторов (Мельчаков, 2005, 2006). Различия в

массах элементов, мобилизуемых эвапотранспирацией, связаны с тем, что именно в лесных ландшафтах наиболее резко выражена способность организмов создавать среду своего обитания, преобразуя окружающую среду (Перельман, 1999; Персльман, Касимов, 1999). Своеобразным проявлением этой трансформации является изученный массопоток, который вносит вклад в формирование специфических особенностей всех биогенных ландшафтов Земли. В степных ландшафтах роль организмов в создании среды обитания меньше. Количественным выражением отмеченных отличий является разница в биомассе сравниваемых зон, составляющая примерно порядок. Другой существенной причиной являются различия в интенсивности процессов выщелачивания в почвах степи и тайги. Более слабое выщелачивание в зональных типах почв степей связано с щелочной средой, менее благоприятной для миграции большинства металлов, и слабым промачиванием в условиях сухого климата.

Таблица 4

Достоверность различий величин эвапотранспирационного потока в таежных и степных ландшафтах

Элемент ТТЕСТ' Элемент ТТЕСТ1

В 0.905338 Мп 0,00418

N3 0,970156 Со 0,533234

0.004153 N1 0,003718

А1 0,09635 С а 0,001843

0,437214 га 0,007571

Р 0,78416 АЭ 0,009687

Б 0,575645 Бе 0,805741

К 0,000646 С<1 0,005762

Са 0.001163 "8 0,01382

Ре 0,370522 РЬ 0,085568

указывают на статистическую достоверность различий двух объектов на 5%-ном (значения ТГЕСТа <0,05), на 1%-ном (значения ТТЕСТа <0,01) и на 0,1%-ном (значения ТТЕСТа <0,001) уровнях значимости.

Техногенное изменение эвапотранспирационной миграции.

Данный вопрос в литературе практически не освещен. На основании исследований, проведенных в ландшафтах, находящихся почти в 30 км от Среднеуральского медеплавильного комбината, автору удалось установить следующее.

1. Выявлено возрастание масс большинства элементов, вовлекаемых эвапотранспирацией в аэральный поток в ландшафтах: главных элементов в 2— 7 раз (как исключение — массы которого выше в 19 раз), рассеянных элементов — в разы или на порядок.

2. Флуктуации техногенной природы четче идентифицируются эвапотранспирационным потоком рассеянных элементов. Трассерами являются халькофилы, поток которых в рассматриваемой зоне слабого тсхногенеза выше

фонового значения на порядок (соответственно

68 и 7кг/км2'год) (Мельчаков, Суриков, 2006).

3. Роль эвапотранспирации в поддержании баланса элементов существенно выше по сравнению с фоновыми ландшафтами (Мельчаков, 2007).

4. Аварийные выбросы комбината резко увеличивают межгодовую изменчивость явления эвапотранспирации. Наибольшее увеличение массопотока отмечено применительно к Т1 в 2001 г: до 26 000 г/км2' год при минимальном за 4 года значении 4,5 (первое число в расчетах среднего не использовалось ввиду явной аномальности).

5. Предложено использование эвапотранспирационных конденсатов для поисков в грунтах и почвах аномалий содержания элементов. Такие изыскания представляются весьма актуальными в районах разного рода техногенных захоронений для индикации возможной опасности для человека и окружающей среды в целом, особенно в тех случаях, когда предполагается хозяйственное использование таких земель (Мельчаков, Суриков, 2006).

6. Аэральный поток продуктов эвапотранспирации в техногенных ландшафтах можно рассматривать с позиций предложенного М. А. Глазовской (1997) понятия геохимических стартеров— совокупности процессов мобилизации ранее накопившихся в твердой фазе почв техногенных или природных соединений, подвижные формы которых токсичны.

Глава 6. Приходно-расходные звенья биогеохимических циклов элементов

Еще A.A. Григорьев (1966) указал на необходимость изучения проблемы баланса химических веществ в географической среде для понимания функционирования ландшафта. В настоящее время расчет балансов химических элементов дает возможность определить тенденции развития геосистем и выйти на их прогнозирование (Семенов, Снытко, 1992).

Известны неоднократные попытки определения балансов элементов в отдельных регионах (Глазовский, 1985; Елпатьевский,1993; Мельчаков, 1985; Учватов, 1981; Cole, Gessel, Dice, 1967; Henderson, Swank, Waide, Grier, 1978; Johnson, Swank, 1973; Likens et al., 1977; Turner, 1985; Turner, Lindberd, Сое, 1985).

Моделью биосферных циклов массообмена химических элементов должен служить не замкнутый кругооборот постоянных масс, а циклическая система миграционных потоков, в которых мигрирующие массы могут перемещаться из одного массопотока в другой, а избыточное количество тех или иных химических элементов частично выводиться из миграции в одну из фазовых оболочек (Добровольский, 2003а).

Образование больших резервуаров обусловлено неспособностью микроорганизмов полностью замкнуть циклы (Заварзин, 2004).

Одной из наиболее важных (хотя и наименее изученных) приходно-расходных частей баланса вещества в ландшафтах является аэральный поток.

Соотношение приходно-расходной частей биогеохимических циклов элементов в таежных ландшафтах

Среднетаежные среднегорные ландшафты Северного Урала. Соотношение массопотоков химических элементов показано на рис. 2—3, количественная модель миграционных потоков химических элементов — на рис. 4.

Рис. 4. Массопотоки суммы элементов в таёжных ландшафтах, т/км2 • год (пояснения по массопотокам см. на рис. 2)

Величины атмосферных выпадений, как правило, превышают эвапотранспирационный транспорт и вынос с речным стоком.

Проведенные в Приокско-террасном биосферном заповеднике многолетние исследования геохимического баланса Ре и нескольких рассеянных элементов (Мп, Си, Ъл, №, Сг, Со, РЬ, Сс1) показали, что баланс всех элементов всегда положителен (Учватов, 1994). В.П.Учватов раздельно анализировал поступление элементов: с жидкими атмосферными осадками, пылью, опадом и вынос: с ионным речным стоком, твердым речным стоком. Применительно к Бе диапазоны соответствующих значений в кг/км2 • год равны: поступление — 360-380,380-590,115-252; вынос: 0,25-0,45,205-460. Следовательно, в заповедном районе, если рассматривать только водорастворимые формы, то поступление превышает вынос на 3 порядка.

Нами определено, что значения эвапотранспирации и выноса с речным стоком обычно в пределах одного порядка.

По аналогии с предложенным М.А.Глазовской (1967) коэффициентом атмогеохимической активности рассчитано отношение масс элементов,

вовлекаемых эвапотранспирацией в аэральный поток, к массам элементов, поступающим с опадом (К э/о) - см. табл. 5.

Анализ К э/о показал следующее. 1. В группе главных элементов коэффициенты, как правило, равны 0,п —0,0п. 2. К э/о тяжелых металлов и близких им элементов, напротив, чаще больше 1, причем малым кларкам элементов соответствуют, как правило, наибольшие коэффициенты.

Таблица 5

Отношение масс элементов, вовлекаемых в аэральный поток посредством эвапотранспирации, к массам элементов, поступающим с опадом (К э/о)

Элемен К э/о Элемент К э/о Элемен К э/о Элемен К э/о

ты ы ты ты

Главные Главные Рассеян ные Рассеян ные

Са 0,23 Si 0,03 Мп 0,22 Cd 97

К 0,08 Al 0,19 Си 1,58 As 2,39

Mg 0,08 Р 0,02 Zii 0,60 Se 22

S 2,69 В 0,90 Со 0,18

Na 6,67 РЬ 2,70 Hg 13

Fe 0,68 Ni 1,34

Сопоставив ряды убывания масс элементов, вовлекаемых в биологический круговорот (характеризуемый через опад), и участвующих в эвапотранспирации (Мельчаков, 20056, 2006), а также используя рассмотренные К э/о, сделали следующий вывод. В группе рассеянных халькофильных элементов (в меньшей степени — рассеянных литофильных элементов), вовлекаемых в эвапотранспирацию, резко, на 2,5 порядка, уменьшается разница величин массопереноса между элементами, присутствующими в относительно больших количествах и в малых по сравнению с биологическим круговоротом. Таким образом, в эвапотранспирации возрастает относительное значение последних элементов. Возможно, это свидетельствует о выработанном растениями в процессе эволюции механизме избавления от токсичных элементов путем транспирации.

Суммировав величины массопотоков всех элементов (см. табл. 1—2, рис. 2— 3), получили следующие значения (в кг/км2 • год): атмосферные выпадения— 6 310, аэральный поток продуктов эвапотранспирации— 1 685, вынос с речным стоком — 5 039. Итоговое соотношение массопереносов составило —414 кг/км2 • год с учетом эвапотранспирации или +1271 кг/км2 • год— без учета эвапотранспирации. Сравнение двух последних результатов позволило сделать вывод: эвапотранспирация существенно ослабляет дисбаланс массопотоков (Мельчаков, 2005).

Как пример, можно привести соответствующие расчеты по Са (в кг/км2 • год): атмосферные выпадения — 3 200, аэральный поток продуктов эвапотранспирации— 730, вынос с речным стоком— 1 540. Итоговое соотношение массопереносов составило +930 кг/км2 • год с учетом эвапотранспирации или +1 660 кг/км2 • год — без учета эвапотранспирации.

Следует уточнить, что в приведенных расчетах автор схематизировал систему миграционных потоков. Некоторая часть эвапотранспирационного массопотока возвращается на поверхность почвы изученных ландшафтов, другая часть— вовлекается в более протяженную миграцию. Для решения этого аспекта проблемы в перспективе требуется постановка специального эксперимента с мечеными атомами (Мельчаков, 2008).

Коэффициенты корреляции Пирсона (табл. 6) были рассчитаны по аналогии с примером, рассмотренным Н.В.Глотовым с соавторами (1982), а также сопоставлениями В.Д.Коржа (1999). Анализ коэффициентов свидетельствует о наличии доказанной положительной корреляционной связи относительно большинства рассмотренных вариантов. Минимальные значения (г) определены для потоков: атмосферные выпадения - вынос с речным стоком, а максимальные: эвапотранспирация - атмосферные выпадения. Эти два миграционных процесса пронизывают нижние слои тропосферы и количество факторов, осложняющих связь указанных процессов, меньше в сравнении с другими парами массопереносов. Тесно связаны также эвапотранспирация и биологический круговорот (опад), что объясняется важной для обоих процессов ролью живого вещества (Мельчаков, 20056).

Таблица 6

Коэффициенты корреляции Пирсона (г) между изученными потоками в среднетаежных ландшафтах, в скобках — количество проб

Группа элементов Сравниваемые объекты

Эвапотранспи рация-биологичсски й круговорот Эвапотранспир ация-атмосфериые выпадения Эвапотранспир аиия -вьшос с речным стоком Атмосферные выпадения-вынос с речным стоком Биологический круговорот-атмосферные выпадения Биологический круговорот-вынос с речным стоком

1. Главные 0,635 (9) 0,841 (9) 0,601 (9) 0,564 (9)* 0,878 (9) 0,717(9)

Рассеянные:

2. Лито-фильные. 0,944(15) 0,908 (34) 0,250 (34)' 0,046 (34)* 0,989(15) 0,022(15)*

3. Халько-фильные. 0,946(11) 0,919(16) 0,646 (16) 0,792(17) 0,767(11) 0,331 (11)*

4. Сидеро- фильные. 0,972 (3)* 0,999 (9) 0,924 (9) 0,925 (10) 0,958 (3)* 0,871 (3)*

Примечания. Звездочкой отмечены значения (г) , которые меньше табличных критических значений коэффициента корреляции Пирсона для 5%-ного уровня значимости.

Южнотаежные среднегорные ландшафты Южного Урала. Ключевые отличия этих ладшафтов от североуральских определяются зональными причинами: сравниваемые ландшафты находятся около 60-го меридиана, а разница по широте составляет 5,5

Установлены существенные различия как в приходной, так и расходной частях баланса от ландшафтов Северного Урала. Атмосферные выпадения выше в южноуральских ландшафтах в 13 раз, а вынос с речным стоком — в 2,6 раза. Итоговое соотношение массопотоков для суммы главных элементов = +65370 кг/км2 • год (округленно +65 т /км2 • год), рассеянных элементов (в кг/км2 ■год): литофильных —+1200, халькофильных —+270, сидерофильных —+11.

Полученные результаты можно интерпретировать с позиций буферных возможностей горно-таежных ландшафтов Урала. Установленное на Южном Урале возрастание в разы потоков элементов не вызывает нарушений нормального функционирования ландшафтов. Ранее в сфере воздействия никелевого производства была установлена высокая способность среднеуральских ландшафтов к противостоянию техногенному давлению. Ландшафты сохранили главные черты динамики биогеохимических циклов (Мельчаков, 19856; Добровольский, Мельчаков, 1990).

Соотношение приходно-расходной частей биогеохимичсских циклов элементов в степных ландшафтах.

Сравнение миграционных потоков в ковыльной степи по массам показывает большую контрастность значений (рис. 5—6). В частности, в группе главных элементов отмечается больший диапазон модулей, чем в таежных ландшафтах Северного Урала. Тенденция доминирования атмосферных выпадений над другими потоками сохраняется.

Существенные отличия от таежных ландшафтов выявляются и при анализе рассеянных элементов.

Разница 2-х основных групп элементов в таежных и степных ландшафтах проявляется в числе элементов, для которых роль эвапотранспирации в ослаблении дисбаланса значительна (составляет 10 п % от итогового соотношения массопотоков, рассчитанного только с учетом атмосферных выпадений и выноса с речным стоком). В группе главных элементов в степных ландшафтах их число меньше, а в группе рассеянных элементов — больше, что дополнительно указывает на то, что в степях значение эвапотранспирации в массопотоке рассеянных элементов выше.

Итоговая оценка величин массопотоков следующая (в кг/км2 • год): атмосферные выпадения — 11 650, аэральный перенос продуктов эвапотранспирации — 510, вынос с речным стоком —7 440 (рис. 7). Отсюда итоговое соотношение массопотоков составило +3 690 с учетом эвапотранспирации или +4 200 кг/км2 ■ год без учета эвапотранспирации. Очевидно, что эвапотранспирация меньше ослабляет дисбаланс по сравнению с таежными ландшафтами (Мельчаков, 2005).

Как пример, приводим соответствующие расчеты по Са (в кг/км2 • год): атмосферные выпадения— 2 900, аэральный поток продуктов эвапотранспирации— 27, вынос с речным стоком— 280. Отсюда итоговое соотношение массопереносов составило +2 593 кг/км2 ■ год с учетом эвапотранспирации или +2 620 кг/км2 • год — без учета эвапотранспирации.

Рассчитанные коэффициенты корреляции Пирсона (табл. 7) имеют некоторое сходство со значениями, полученными для среднетаежных ландшафтов. Главным их отличием являются более низкие значения коэффициентов в степных ландшафтах, что свидетельствует о меньшей взаимосвязанности процессов массопереноса. В наибольшей степени это касается группы главных элементов, определяющей движение основной массы

вещества: корреляционная связь не доказана ни для одной пары массопереносов (Мельчаков, 2005).

Рис. 5. Массы главных элементов, мигрирующих в ковыльной степи: 1 — водорастворимые формы атмосферных выпадений, трансформированных растительностью; 2— эвапотранспирационный поток водорастворимых форм; 3 — вынос с речным стоком водорастворимых форм

1_од масс, г/кг 2- год

пД

4 ■ 3 " р п

- -

- Ъ- - - Л 1г 1 тП к ть

Мл ¿п В Си РЬ Бе № Со Сй Аз Не

Рис. 6. Массы рассеянных элементов, мигрирующих в ковыльной степи:

1 — водорастворимые формы атмосферных выпадений, трансформированных растительностью;

2 — валовые формы опада;

3— эвапотранспирационный поток водорастворимых форм; 4 — вынос с речным стоком водорастворимых форм

Рис. 7. Массопотоки суммы элементов в ковыльной степи, т/км2 • год (пояснения по массопотокам см. на рис. 2)

Таблица 7

Коэффициенты корреляции Пирсона (г) между изученными массопереносами в ковыльной степи, в скобках — количество проб

Группа элементов Сравниваемые объекты

Эвапотранспи рация-биологически й круговорот Эвапотранспира ция-атмосферные выпадения Эвапотранспира ция -вынос с речным стоком Атмосферные выпадения-вынос с речным стоком Биологический круговорот-атмосферные выпадения Биологически й круговорот-вынос с речным стоком

1. Главные 0,411(9)* 0,464 (9)* 0,145 (9)*

Рассеяны ые:

2. Лито-фильные. 0,590(16) 0,680 (34) 0,258 (35)* 0,127(34)* 0,978(14) 0,084(14)«

3. Халько-фильные. 0,844(11) 0,865 (17) 0,775 (17) 0,940(16) 0,954(11) 0,996(11)

4. Сидеро-фильные. 0,994 (3)* 0,985 (7) 0,427 (7)* 0,595 (9) 0,955 (3)» -0,120 (3)'

Примечание. Звездочкой отмечены значения (г), которые меньше табличных критических значений коэффициента корреляции Пирсона для 5%-ного уровня значимости.

Роль эвапотранспнрационных процессов в массопереносе химических элементов с атмосферными осадками.

Вопрос о влиянии эвапотранспирации на химический состав атмосферных осадков в литературе остается нерешенным, хотя первые попытки по его изучению были сделаны еще в 70-е гг. XX в. (Ахмедсафин, Гребенюков, Иванов, 1978). Исследования, проведенные автором, позволяют решить данную проблему.

Было выполнено сопоставление состава конденсатов выделений растений среднетаежных ландшафтов в атмосферу и атмосферных осадков (внутримассового и фронтального происхождения) в теплое время года. Можно констатировать значительное варьирование концентраций элементов в изученных объектах. Определены следующие диапазоны (в мкг/л). В группе главных элементов: Б — 1000 х п, К, Са — 100 х п—1000 х п, — 10 х п—1000 х п, 81, Ре — 10 х п—100 х п, А1, Р — п—100 х п. В группе рассеянных элементов: Мп, В, Вг, Бг, Ва — п—10 п, Т1, Сг, И), I — 0,1 п—п; для подавляющего большинства элементов — 0,001 х п—0,1 * л.

Установлено, что степень сходства химического состава двух сравниваемых объектов закономерно возрастает в рядах: фронтальные осадки вне контакта с растительностью — фронтальные трансформированные растительностью осадки, внутримассовые осадки вне контакта с растительностью — внутримассовые трансформированные растительностью осадки. Полученные результаты можно объяснить следующим. Фитогенные частицы выступают в роли ядер конденсации и, соответственно, влияние жизнедеятельности растений проявляется как в самом процессе осадкообразования, так и в химическом составе осадков. Дополнительно элементный состав жидких выпадений изменяется в процессе растворения дождевыми каплями продуктов выделений растений. В условиях эксперимента разделить эти трансформации невозможно.

Анализ коэффициентов корреляции между содержанием элементов в конденсатах и дождевой воде (г) доказал наличие положительной корреляционной связи; в подавляющем большинстве рассмотренных вариантов (31 из 40) корреляционную связь потоков можно считать доказанной.

Данная взаимосвязь отражает наличие в ландшафтах круговоротов вещества, причем при внутримассовой погоде они в большей мере замкнуты, чем при фронтальной погоде.

Также заключено, что элементный обмен между ассимилирующей поверхностью растений и атмосферой не только оказывает важное влияние на химический состав осадков, но и является одной из причин внутримассовых осадков (Мельчаков, Суриков, 2007).

В качестве гипотезы предложено объяснение летнего увеличения количества осадков в среднегорьях Урала по сравнению с предгорьями, наряду с известными причинами, наличием больших масс фитогенных аэрозолей (Мельчаков, Суриков, 2004). Последние выполняют роль ядер конденсации. Вероятно, это относится и к другим горным системам.

Выводы:

1. Установлена положительная корреляционная связь массопотоков: эвапотранспирация и атмосферные выпадения - применительно к подавляющему большинству рассмотренных групп элементов. Отмеченные массопотоки являются наиболее тесно связанными: они пронизывают нижние слои тропосферы и количество факторов, осложняющих эту связь, меньше в

сравнении с другими изученными потоками. Значения коэффициентов корреляции в среднетаежных ландшафтах Северного Урала выше, чем в степных ландшафтах Южного Урала.

2. Установлено, что аэральный поток продуктов эвапотранспирации ослабляет дисбаланс масс элементов, являясь своеобразным «разгрузочным механизмом» функционирования геосистем, так же. как опад и сток. В среднетаежных ландшафтах Северного Урала итоговое соотношение приходно-расходной частей биогеохимических циклов элементов = -420 кг/км ' год (с учетом эвапотранспирации) или +1290 кг/км2 • год (без ее учета). Аналогичное соотношение в степных ландшафтах Южного Урала =+3680 кг/км2 • год или +4200 кг/км2 • год (без учета эвапотранспирации). Следовательно, эвапотранспирация менее эффективно ослабляет дисбаланс по сравнению с таежными ландшафтами.

3. Доказана соразмерность и взаимосвязанность миграционных процессов: атмосферных выпадений, эвапотранспирации, опада и выноса с речным стоком. Эти характеристики являются важными показателями нормального функционирования ландшафтов и их устойчивости как к природным, так и техногенным дестабилизаторам.

4. Показано, что степень сопряженности миграционных процессов убывает в пространственном ряду: тайга — степь. Возможно, это обусловлено более весомой ролью живого вещества в организации взаимосвязанности массопереносов в гумидных, чем в семиаридных ландшафтах.

5. Определено, что в аэральном потоке продуктов эвапотранспирации • возрастает относительное значение рассеянных элементов, массы которых относительно невелики, по сравнению с их относительной ролью в биологическом круговороте в узком смысле слова. Для растений образование летучих соединений, возможно, является дополнительным способом освобождения от токсичных соединений.

6. Обнаружена положительная корреляционная связь состава транспирационных выделений в атмосферу и дождевых осадков.

7. Констатирована ошибочность представления об атмосферных выпадениях на полянах как нетрансформированных растительностью.

8. Сравнительный анализ массопотоков северо - и южноуральских горнотаежных ландшафтов показал наличие значительных буферных возможностей последних.

9. Установленные закономерности должны учитываться при проведении комплексных мероприятий по охране и рациональному природопользованию.

Защищаемые положения и выводы

1. Разработана методология изучения эвапотранспирационной миграции химических элементов в ландшафтах. На основании проведенных исследований раскрыты ее закономерности в ландшафтах Северного, Среднего и Южного

Урала, которые позволяют объяснить направленность происходящих процессов.

2. Выявлены закономерности аэрального массопотока в системе «тропосфера — растительность — почва» применительно к природным условиям Урала.

— Впервые определены количественные параметры суммарных атмосферных выпадений большинства элементов на Урале. Установлено, что в таежных ландшафтах ежегодно поступает из атмосферы на 1 км2: Са и К— 1000 х п кг; Б, N3, Бе, Б1 и Мп-100 х п кг; А1, Р, Бг, Ва, Ъп, Си — 10 * п кг; В, РЬ, "Л, Сг, N1 и других элементов— п кг; V, Сё, Аб, Бе и других элементов— 100 х п г. Представители группы редких земель и некоторые другие элементы поступают в таежные ландшафты в количестве, измеряемом 1 * п—10 х п г/км • год. Приведенные значения характеризуют поток атмосферных выпадений, усиленный взаимодействием с растительным компонентом.

— Обнаружены сезонные количественные отличия аэрального массопотока. Выпадения большинства элементов за теплый период года превосходят значения холодного периода в п раз — на порядок. Суммарное выпадение элементов в теплый период года составляет 92 % годового массопотока. Указанный тренд закономерен: зимой активность живого вещества значительно замедляется, соответственно ослабевает воздействие полога леса на атмосферные выпадения и уменьшаются масштабы аэрального потока продуктов эвапотранспирации. Сезонный тренд указывает на важную роль биоклиматических факторов в рассматриваемом массопотоке.

— Установлены и проанализированы сезонные различия влияния древесных растений на состав атмосферных выпадений: в холодное время года данное влияние проявляется нестабильно. Трансформация атмосферных выпадений пологом леса в теплый период года усиливается.

3. Определены особенности геохимии эвапотранспирации в ландшафтах таежной и степной зон Урала.

—1 Впервые выявлены масштабы аэрального потока продуктов эвапотранспирации в системе «почва — растительность — тропосфера» применительно к природным условиям Урала. Установлено, что в таежных ландшафтах Урала ежегодно с 1 км2 мобилизуется в атмосферу: Са, Б, 1Ма и К — 100 х п кг, Бе, Б1 и А1 — 10 х п кг, Р, Мп, В, Бг, Ва, 2п и Си— п кг, Т1, Вг, Сг, РЬ, Бе, № — 100 х п г, и, 2г, Бс, V, БЬ, А& С4 Бп, Аэ, Са, и Со — 10 х п г. Многие

рассеянные элементы переносятся в количестве, измеряемом 0,1— 1 х п г/км2 • год.

Изученный поток суммы анализируемых элементов в таежных ландшафтах составляет 27—33 % от таких значимых процессов, как атмосферные выпадения и вынос с речным стоком соответственно.

— Обнаружено, что в массопотоке, вызванном эвапотранспирацией, возрастает относительное значение тяжелых металлов и близких им элементов, массы которых невелики, по сравнению с участием их масс в биологическом круговороте. Возможно, это свидетельствует о выработанном растениями в процессе эволюции механизме избавления от токсичных элементов путем транспирации.

— Установлена связь состава конденсатов эвапотранспирационных выделений с местоположениями изученных участков. Констатировано увеличение концентраций элементов в конденсатах горно-таежного пояса по сравнению с подгольцовым, что объясняется биоклиматическими факторами. Как следствие, значения аэрального потока продуктов эвапотранспирации применительно к большинству элементов в горнотаежном поясе в несколько раз превышают соответствующие значения для подгольцового пояса (по сумме элементов в 2,7 раза).

— Определен относительный вклад лесных ярусов в аэральный поток продуктов эвапотранспирации. В горно-таежном поясе эвапотранспирация травяно-кустарничкового яруса составляет 92 %, древесного яруса - 8 % от общего массопотока. Соответствующие параметры подгольцового пояса принципиально иные; в нем эвапотранспирация травяно-кустарничкового яруса составляет 42 %, древесного яруса - 58 % от общего массопотока.

4. Выявлены зональные различия аэральной миграции химических элементов в пределах Урала.

— Атмосферный массопоток большинства элементов в степных ландшафтах больше в п раз, чем в таежных, соответственно суммарное значение выпадений элементов отличается в 1,9 раза.

— Поток масс элементов, вызванный эвапотранспирацией, в степных ландшафтах меньше в п раз, чем в таежных, соответственно суммарное значение транспорта элементов отличается в 3,4 раза.

5. Установлено, что аэральный поток продуктов эвапотранспирации является необходимой частью баланса мигрирующих масс элементов, являясь своеобразным «разгрузочным механизмом» функционирования геосистем. При этом поток вещества, вызванный эвапотранспирацией, вовлекается в следующий биогеохимический цикл.

— В среднетаежных ландшафтах Северного Урала величина аэрального потока продуктов эвапотранспирации применительно к сумме элементов имеет порядок 1,7 т/км2 • год.

— В степных ландшафтах Южного Урала этот же параметр оценивается величиной порядка 0,5 т/км2 • год.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Автор 57 публикаций по теме диссертации. Из них 3 монографии общим объемом 53,9 н.л. (авторский вклад 53,3 п.л.-95 %), 39 статей общим объемом 19,6 п.л. (авторский вклад 17,3 п.л.-88 %), в т.ч. 14 статей в центральных журналах (из Перечня, рекомендованного ВАК РФ) общим объемом 7,0 п.л. (авторский вклад 6,5 п.л. - 93 %), учебно-методические материалы объемом 5,5 п.л. (авторский вклад 5,5 п.л,-100 %). Монографии:

1) Мельчаков Ю.Л. Роль эвапотранспирации в системе миграционных потоков химических элементов: монография / Екатеринбург: Урал. гос. пед. ун-т, 2007. —326 с. 24,4 п.л.

2) Мельчаков Ю.Л. Атмосферная миграция химических элементов на Урале: монография / Екатеринбург: Урал. гос. пед. ун-т, 2005. — 420 с. 26,4 и.л.

3) Алсщукин Л.В., Волков С.Н., Добровольский В.В. и др. Геохимия природных и техногенно измененных биогеосистем: коллективная монография под ред. проф. В.В. Добровольского — М.: Прометей, 2003. 228 с. - 14,25 п.л. (авт. вклад статьи: Мельчаков Ю.Л., Учватов В.П., Суриков В.Т., Поляков Е.В. Фитогенный атмосферный массообмен: количественная оценка потоков «растительность — атмосфера» // С. 112—161.- - 3,6 п.л. - 25%). Доля участия Мельчакова Ю.Л.- 3,0 п.л. - 83%.

Статьи в центральных журналах (из Перечня, рекомендованного ВАК РФ):

4) Мельчаков Ю.Л. Роль эвапотраисиирацпи в системе миграционных потоков химических элементов (на примере Северного Урала) II Вестник МГУ. Сер. География. 2009. № 3. С. 26—33. - 0,8 п.л.

5) Мельчаков Ю.Л. Балансы элементов и роль эвапотранспирациониого массопереноса в ландшафтах Северного и Южного Урала // Известия РГО. 20056. Т. 137. Вып. 5. С. 69—79. - 0,9 п.л.

6) Мельчаков Ю.Л. Сравнительно-географические особенности массопереноса эвапотрапспирациопных выделений таежной и степной растительности Урала // Вестник МГУ. Сер. География. 2006. № 4. С. 55— 61. - 0,8 п.л.

7) Мельчаков Ю.Л. Закономерности элементопереноса в системе «почва — атмосфера» (на примере Северного Урала) // Литосфера. 2008. № 2. С. 133—138. - 0,5 п.л.

8) Мельчаков Ю.Л., Суриков В.Т. Роль биогеохнмических процессов в массонереносе химических элементов с атмосферными осадками (на иримерс Северного Урала) // География и природные ресурсы. 2007. № 1. С. 83—90. - 0,6 п.л. (авт. вклад - 75%).

9) Мельчаков Ю.Л. К проблеме эколого-геохимического значения эвапотранспирации // Экология. 2008. № 5. С. 390—393. - 0,3 п.л.

10) Мельчаков Ю.Л., Суриков В.Т. Сравнительная оценка интенсивности эвапотранспирациониого массоэлементопереноса в таежных ландшафтах

Северного и Среднего Урала // Экология. 2006. № 1. С. 74—76. - 0,4 п.л. (авт. вклад - 75%).

11) Mel'chakov Yu. L. On Ecological and Geochemical Significance of Evapotranspiration // Russian Journal of Ecology. 2008. V. 39. N 5. P. 371—374. - 0,3 п.л.

12) Mel'chakov Yu. L., Surikov V.T. Comparison of the Intensities of Evapotranspiration Mass Element Transfer in Taiga Landscapes of the Northern and Middle Urals // Russian Journal of Ecology. 2006. V. 37. N 1. P. 70—72. - 0,4 п.л. (авт. вклад - 75%).

13) Мельчаков Ю.Л., Учватов В.П., Квашнина А.Е. и др. Исследование геохимических потоков в фоновых ландшафтах Северного Урала // География н природные ресурсы. 2004. № 4. С. 74—78. - 0,6 п.л. (авт. вклад -67%).

14) Мельчаков Ю.Л. Соотношение атмосферной и водной миграции с биологическим круговоротом тяжелых металлов в горно-лесном ландшафте // Научные доклады высшей школы. Биологические науки. 19896. № 9. С. 2а—32. - 0,6 п.л.

15) Мельчаков Ю.Л. Аэрозольное поступление тяжелых металлов в южнотаежные ландшафты Среднего Урала // Экология. 1985. № 2. С. 80— 82.-0,2 п.л.

16) Мельчаков Ю.Л. Сезонная динамика водной миграции тяжелых металлов в условиях техногенного загрязнения // География и природные ресурсы, 19906, № 2. С. 47—49. - 0,3 пл.

17) Мельчаков Ю.Л. Загрязнение воздушного бассейна неприоритетными для данного типа техногенеза химическими элементами // География и природные ресурсы. 1992, № 1. С. 35—39. - 0,3 п.л.

Статьи в журналах и сборниках:

18) Добровольский В.В., Мельчаков Ю.Л. Динамика массообмена металлов в ландшафтно-геохимических условиях Среднего Урала // Труды биогеохимической лаборатории АН СССР. М.: Наука, 1990. T. XXI. С. 89—99. -0,9 п.л. (авт. вклад - 78%).

19) Мельчаков Ю.Л. Геоэкология эвапотранспирационных потоков химических элементов (на примере Урала). // География и современные проблемы естественнонаучного познания: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. Екатеринбург, 2009. С. 107—111. - 0,3 п.л.

20) Mel'chakov Yu. L. Some regularities of atmospheric biogeochemical cycles of chemical elements // Ecologica. 2009. N 56. P. 50—56. 0,4 п.л.

21) Мельчаков Ю.Л. Масштабы эвапотранспирационного элементопереноса в фоновых условиях и в зоне техногенного загрязнения II Экологическая геология: научно-практические, медицинские и экономико-правовые аспекты: Материалы Международной научной конференции. Воронеж, 2009. С. 38—41. -0,3 п.л.

22) Mel'chakov Yu. L. The Regional Pollution by Mass Element Transfer in System "Soil - Plants - Atmosphere". // International Conference on Globalization and Environment. Belgrade, 2009. P. 41—45. - 0,3 п.л.

23) Mel'chakov Yu. L. The Ecological and Geochemical Effect of Evapotranspiration in Taiga Landscapes of the Urals. // International Conference on Globalization and Environment. Belgrade, 2009. P. 50—53. - 0,3 п.л.

24) Мельчаков Ю.Л., Квашнина A.E., Возьмитель К.А., Суриков В.Т., Поляков Е.В. Количественная оценка атмосферной составляющей баланса вещества в горных ландшафтах Северного Урала // Тр. гос. заповедника «Денежкин Камень». Вып. 2. Екатеринбург: Академкнига, 2003. С. 94—101. - 0,8 пл. (авт. вклад-80%).

25) Мельчаков IO.JI., Суриков В.Т., Поляков Е.В. Влияние химизма горных пород на фитогенную атмосферную миграцию элементов // Александр Гумбольдт и исследования Урала: Материалы российско-германской конференции 20—21 июня 2002 г., Екатеринбург, 2002 г. С. 143—150. - 0,5 п.л. (авт. вклад -60%).

26) Мельчаков Ю.Л., Суриков В.Т., Поляков Е.В. Побережнюк C.B. Временная изменчивость фитогенной миграции элементов в южнотаежных ландшафтах Среднего Урала // Александр Гумбольдт и исследования Урала: Материалы российско-германской конференции. Екатеринбург, 2002. С. 150—155. - 0,4 п.л. (авт. вклад -50%).

27) Мельчаков Ю.Л., Ремез В.П., Пушкарева Т.А. Шлейнов Б.Б. Провинциальные особенности распределения элементов в пределах Уральской горной страны // Урал в научных исследованиях на географо-биологическом факультете УрГПУ. Екатеринбург, 2001. С. 63—66. - 0,2 п.л. (авт. вклад-75%).

28) Mel'chakov Yu. L. The Research of Mass Element Transfer in System "Soil -Plants - Atmosphere" (the North and Middle Urals) // International Scientific Quality of Air Protection 2008, Belgrade, 2008. P. 127—130. - 0,3 п.л.

29) Мельчаков Ю.Л., Суриков B.T. Визуальные наблюдения за воздушной средой Урала для определения источников природных и техногенных загрязнений // Исследовано в России. 2004. № 74. С. 812—821. - 0,6 п.л. (авт. вклад -67%).

30) Мельчаков Ю.Л.,. Суриков В.Т., Поляков Е.В. Методические подходы к количественной характеристике движения масс элементов в системе «растительность - атмосфера» // Урал в научных исследованиях на географо-биологическом факультете УрГПУ. Екатеринбург, 20016. С. 58—61. - 0,2 п.л. (авт. вклад -75%).

31) Добровольский В.В., Мельчаков Ю.Л. Атмосферные выпадения сульфат-иона, никеля и кобальта в ландшафтах Среднего Урала // Геохимические исследования в лесных и тундровых ландшафтах: межвузовский сборник научных трудов. М., 1986. С. 61—67. - 0,4 п.л. (авт. вклад -75%). Учебно-методические материалы:

32) Мельчаков Ю.Л. Окружающая среда: контроль и рекомендации. 4.1. / Екатеринбург: Урал. гос. пед. ун-т, 1999. — 58 с. - 5,5 п.л.

1 I

Подп. к печ. 01.02.2010 Объем2п.л. Заказ №23 Тир 100 экз. Типография Mill У

Содержание диссертации, доктора географических наук, Мельчаков, Юрий Леонидович

Введение

Глава 1. Геохимия аэрозолей и аэральный элементоперенос: глобальный и региональный аспекты

Глава 2. Физико-географическая характеристика ключевых участков

2.1. Среднетаежный ключевой участок «Массив Денежкин Камень» (Северный Урал)

2.2. Южнотаежный ключевой участок «Гора Пшеничная» (Средний Урал)

2.3. Степной ключевой участок «Холмогорье Уртазымское» (Южный Урал)

Глава 3. Методика полевых и камеральных исследований

3.1. Обоснование примененной методики

3.2. Полевые работы

3.2.1. Оценка аэральной миграции в зимний период

3.2.2. Оценка аэральной миграции в летний период

3.2.3. Изучение водной и биогенной миграции

3.3. Лабораторные работы

3.4. Обработка аналитических данных

3.5. Классификации и группировки элементов

Глава 4. Аэральный поток в системе тропосфера — растительность — почва»

4.1. Суммарные атмосферные выпадения элементов в среднегорных таежных ландшафтах Северного Урала

4.2. Геохимический аспект проблемы высотно-поясного и барьерного влияния Уральских гор

4.3. Суммарные атмосферные выпадения элементов в среднегорных таежных ландшафтах Южного Урала

4.4. Зональные и провинциальные особенности аэральной миграции элементов

4.5. Выводы

Глава 5. Аэральный поток продуктов эвапотранспирации в системе «почва — растительность — тропосфера»

5.1. Геохимия продуктов эвапотранспирации в таежных ландшафтах

5.1.1. Кислотность конденсатов эвапотранспирационных выделений и их минерализация

5.1.2. Соотношение видового состава растительности и химического состава конденсатов эвапотранспирационных выделений

5.1.3. Связь состава горных пород и конденсатов эвапотранспирационных выделений

5.1.4. Массы элементов, вовлекаемые в эвапотранспирацию таежных ландшафтов

5.1.5. Относительный вклад лесных ярусов в эвапотранспирационный поток элементов

5.2. Особенности геохимии продуктов эвапотранспирации в степных ландшафтах

5.3. Техногенное изменение геохимии продуктов эвапотранспирации

5.4. Выводы

Глава 6. Приходно-расходные звенья биогеохимических циклов элементов

6.1. Соотношение приходно-расходных частей биогеохимических циклов элементов в таежных ландшафтах

6.2. Соотношение приходно-расходных частей биогеохимических циклов элементов в степных ландшафтах

6.3. Роль эвапотранспирации в массопереносе химических элементов с атмосферными осадками

6.4. Выводы 249 Заключение 251 Список литературы 255 Приложения

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Эвапотранспирационная миграция химических элементов в ландшафтах"

Актуальность темы. В начале 60-х гг. XX в. при решении ряда практических задач было обращено внимание не только на водную и биологическую миграцию, изучение которых имеет довольно длительную историю, но и на аэральную миграцию химических элементов. Импульсом послужила гонка вооружений, испытания ядерного оружия и взаимная разведывательная деятельность двух сверхдержав. В частности, в это время был проведен забор проб воздуха в районах взрывов атомных бомб с последующим анализом. Важное значение имела и разработка геохимических методов поиска полезных ископаемых (атмобиогеохимический метод). С 70-х гг. XX в. новым стимулом к изучению стала тревога мировой общественности по поводу состояния окружающей среды, в том числе важнейшего ее компонента — атмосферного воздуха (Barringer, 1977; Da-vies, Wixson, 1985; Hanssen et al., 1980; Mouse, Fernandez, 1987; Nriagu, Pa- супа, 1988; Page, Ganje, Joshi, 1971; Salmon et al., 1978; Steinnes et al., 1989 и др.).

В научных центрах разных стран было проведено детальное изучение фракционного состава воздуха нижней тропосферы (Миклишанский и др., 1978). Ряд зарубежных ученых рассмотрели распределение и источники поступления химических элементов в атмосферу (Boutron, Martin, 1980; Nriagu, 1989; Pacyna, 1986). Химия атмосферы стала одной из наиболее туальных проблем естествознания (Заварзин, 2004).

В комплексе миграционных процессов атмосферный поток продуктов эвапотранспирации является одним из наименее изученных, не установлено его экологическое значение. В специальной литературе не показано соотношение эвапотранспирации с другой ветвью аэральной миграции: атмосферными выпадениями — в пределах какого-либо конкретного региона.

Постановка проблемы В современном представлении биосфера — термодинамически открытая, саморегулирующаяся глобальная система, в которой в неразрывной связи существуют инертное вещество в трех фазовых состояниях, разнообразные формы жизни и их метаболиты. Самоорганизация биосферы базируется на представлении о цикличности миграции вещества, которая поддерживает стационарное состояние системы. Цикличность — это не абстрактное движение атомов: каждый миграционный поток слагается из вполне конкретных миграционных форм химических элементов, которые вовлекаются в один миграционный поток, но не могут быть включены в другой поток. Один и тот же элемент ведет себя совершенно неодинаково в зависимости от того, входит ли он в фермент в живом организме, мигрирует в виде иона в речной воде, находится в сорбированном состоянии на поверхности частицы или внутри обломка минерала (Добровольский, 1983). Соответственно познание цикла возможно путем изучения тех форм химических элементов, которые вовлекаются в данный цикл. Эти идеи были высказаны еще в первой половине XX в. В.И. Вернадским (1927) и В.М. Гольдшмидтом (1938а, б).

В.И. Вернадский (1940) ввел в науку понятие «живое вещество» и показал его исключительно важную роль в миграции химических элементов и термодинамике планеты в целом. Однако в структуре геохимической стороны жизнедеятельности живых организмов одна из форм миграции осталась вне детального рассмотрения — миграционный поток газовых форм химических элементов в системе «растительность — атмосфера».

Данное исследование посвящено проблеме особого вида миграции химических элементов: аэрального потока продуктов эвапотранспирации. Систематических исследований в этой области не проводилось, хотя и имеются первые результаты определения миграции элементов, обусловленной транспирацией (Немерюк, 1970; Curtin, King, Mosier, 1974; Ахмед-сафин, Гребенюков, Иванов, 1978; Елпатьевский, 1993; Кудерина, 1999; Мельчаков и др., 2001г; Добровольский, Мельчаков, Учватов и др., 2003; Мельчаков, 2005 и др.).

Решение поставленной проблемы невозможно без параллельных определений других видов миграции, в первую очередь — газовых форм элементов в системе «почва — атмосфера». Важность данного направления исследований обусловлена тем, что газовый состав атмосферы, в первую очередь ее реакционноспособных компонентов, зависит от функционирования микробной системы (Заварзин, 2004).

Общее почвенное дыхание представляет собой суммарный поток двух основных компонентов: дыхание корней и дыхание почвенной микрофлоры (Edwards et al., 1970). Предполагается, что корневое дыхание растений составляет примерно 1/3 от дыхания почвы (Заварзин, 2004). В последние годы получены величины потоков главным образом углекислого газа из наземных экосистем России, Европы и планеты в целом (Круговорот 1999; Курганова, Кудеяров, 1998; Курганова, Типе, 2003; Курганова и др., 2004; Кудеяров, 2005; Кудеяров, Курганова, 2005; Ларионова, Евдокимов, Курганова и др., 2003; Janssens et al., 2001; Schlesinger, Andrews 2000).

В оценке массопереноса в системе «почва — атмосфера» встречаются большие сложности. Так, если в определении транспирационных форм элементов древесных растений их можно вычленить из общего эва-потранспирационного потока, включающего газовые эманации из почвы, то для наземной травянистой растительности сделать это технически сложно. Отмеченная трудность хорошо известна экспериментаторам, которые пытались определить раздельно массу испаряющейся влаги с поверхности почвы и поверхности травянистых растений (Козловский, 1969). По этой причине определяли суммарную величину эвапотранспирации с поверхности почвы. Кроме того, вода испаряется с поверхности стволов и толстых ветвей древесных растений, хотя ее количество значительно меньше того, которое теряется через листья (Полевой, 1989). Этот массо-поток не изучался.

Выбор Урала в качестве объекта исследования обусловлен его субмеридиональным расположением, позволяющим провести сравнительногеографический анализ аэральной миграции элементов в нескольких природных зонах.

Задачи исследования:

2. Изучить геохимический аспект эвапотранспирации в ландшафтах таежной и степной зон Урала.

3. Оценить относительный вклад лесных ярусов в общий эвапотранс-пирационный поток.

4. Установить роль эвапотранспирации в системе миграционных потоков химических элементов.

5. Разработать и апробировать приемы исследования аэрального потока продуктов эвапотранспирации.

Объект исследования и исходные материалы. В основу диссертации были положены результаты ландшафтно-геохимических исследований, проводившихся автором в 1980—2008 гг. в пределах Уральского региона и сопредельных равнин. Район полевых исследований вытянут с севера на юг согласно простиранию Уральских гор: от 61° с. ш. (заповедник «Денежкин Камень» на севере Свердловской обл.) до 51° с. ш. (г. Орск на юге Оренбургской обл.). Было отобрано 840 проб природных вод (из них осадков— 179, суммарных атмосферных выпадений — 430, поверхностных вод — 122, конденсатов эвапотранспирационных испарений — 56, смывов с растений—71) и 149 проб растений. Были организованы экспедиции для сбора материалов во все сезоны года и выполнены маршрутные наблюдения. Выводы исследования основываются на 21 630 элементоопределениях в пробах. Аналитическая обработка выполнена в лабораториях географического факультета МПГУ, биологического факультета МГУ, ИМГРЭ, а также в лаборатории физико-химических методов анализа Института химии твердого тела

УрО РАН и в центре химико-аналитических испытаний «Эксорб» (г. Екатеринбург).

Установлены масштабы эвапотранспирационного потока.

Выявлены сравнительно-географические особенности изученного вида миграции.

Проведено сопряженное изучение основных миграционных потоков элементов: атмосферных выпадений, трансформированных и нетрансфор-мированных растительностью, опада, эвапотранспирации, выноса с речным стоком — в типичных ландшафтах Урала.

Выработаны практические рекомендации для природоохранных органов.

Практическое значение работы. Результаты диссертационных исследований вошли в отчеты ряда научно-иследовательских институтов (Института экологии растений и животных УрО АН СССР, г. Екатеринбург, Института промышленной экологии УрО АН СССР, г. Екатеринбург, Института экспериментальной метеорологии, г. Обнинск Калужской обл., Института Гипроникель, г. Санкт-Петербург), а также приняты для использования в Главное управление федеральной службы по надзору в сфере природопользования (Росприроднадзора) по Уральскому федеральному округу.

Автор принимал участие в выполнении координационного плана отделения биохимии, биофизики и химии физиологически активных соединений АН СССР научно-исследовательских работ по проблемам микроэлементов в биологии на 1986-1990 гг.

Результаты исследований отражены в учебном пособии для студентов педагогических университетов «Окружающая среда: контроль и рекомендации. 4.1. Екатеринбург, 1999».,

Апробация работы. Результаты работы опубликованы в 3 монографиях, учебном пособии, 39 статьях и 13 депонированных рукописях и тезисах докладов конференций.

Москва, 1987), Совещании по проблемам биогеохимии в Институте reoi химии и аналитической химии АН СССР (Москва, 1988), Республиканской научно-практической конференции «Экономическое воспитание в системе непрерывного образования» (Свердловск, 1991), Республиканском семинаре-совещании «Экологическое образование студентов педвузов в условиях заочной формы обучения» (Н. Новгород, 1993), Международной научной конференции «Проблемы охраны окружающей среды Уральского региона» (Екатеринбург, 1997), Региональной научно-практической конференции «Актуальные проблемы регионального географического, экологического и биологического образования» (Екатеринбург, 2000), Межрегиональной научной конференции «Россия в III тысячелетии: прогнозы культурного развития. Наука. Культура. Искусство. Власть. Государство» (Екатеринбург, 2001), Российско-германской конференции «Александр Гумбольдт и исследования Урала» (Екатеринбург, 2002), Межрегиональной научной конференции «Россия в III тысячелетии: прогнозы культурного развития. Качество жизни: итоги: наука, культура, образование, искусство, власть, производство» (Екатеринбург, 2002), на заседании комиссии геохимии ландшафта Московского филиала Русского Географического общества — Полыновских чтениях (Москва, 2004, 2006), Международной научной конференции «Геохимия биосферы» (Москва, 2006), четвертом Международном совещании «Геохимия биосферы» (Новороссийск, 2008), шестой Международной биогеохимической школы (Астрахань, 2008), пятом Международном совещании «Геохимия биосферы» (Новороссийск, 2009).

Кроме того, результаты были опубликованы в материалах конференций: четвертой Российской Школы «Геохимическая экология и биогеохимическое изучение таксонов биосферы» (Москва, 2003), International Scientific Quality of Air Protection 2008 (Belgrade, 2008), International Conference on Globalization and Environment (Belgrade, 2009), Международной научной конференции «Экологическая геология: научно-практические, медицинские и экономико-правовые аспекты» (Воронеж, 2009).

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 399 наименований (в том числе 169 иностранных). Работа включает 299 страниц. . (вместе с приложением 341 страницы), содержит 72 рисунка и 68 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов", Мельчаков, Юрий Леонидович

6.4. Выводы

1. Установлена положительная корреляционная с;вязь массопотоков: эвапотранспирация и атмосферные выпадения - применительно к подавляющему большинству рассмотренных групп элементов. Отмеченные мас-сопотоки являются наиболее тесно связанными: они пронизывают нижние слои тропосферы и количество факторов, осложняющих эту связь, меньше в сравнении с другими изученными потоками. Значения коэффициентов корреляции в среднетаежных ландшафтах Северного Урала выше, чем в степных ландшафтах Южного Урала.

2. Установлено, что аэральный поток продуктов эвапотранспирации ' Ч ослабляет дисбаланс масс элементов, являясь своеобразным «разгрузочным механизмом» функционирования геосистем, так же как опад и сток. В среднетаежных ландшафтах Северного Урала итоговое соотношение при-ходно- расходной частей биогеохимических циклов элементов = -420 кг/км2 ' год (с учетом эвапотранспирации) или +1290 кг/км2 • год (без ее учета). Аналогичное соотношение в степных ландшафтах Южного Урала

Л гу

3680 кг/км • год или +4200 кг/км • год (без учета эвапотранспирации). Следовательно, эвапотранспирация менее эффективно ослабляет дисбаланс по сравнению с таежными ландшафтами.

3. Доказана соразмерность и взаимосвязанность миграционных процессов: атмосферных выпадений, эвапотранспирации, опада и выноса с речным стоком. Эти характеристики являются важными, показателями нормального функционирования ландшафтов и их устойчивости как к

I , « «* природным, так и техногенным дестабилизаторам.

5. Определено, что в аэральном потоке продуктов эвапотранспирации возрастает относительное значение рассеянных элементов, массы которых относительно невелики, по сравнению с их относительной ролью в биологическом круговороте в узком смысле слова.-Для растений образование летучих соединений, возможно, является дополнительным способом освобождения от токсичных соединений.

6. Обнаружена положительная корреляционная связь состава транс-пирационных выделений в атмосферу и дождевых осадков.

8. Сравнительный анализ массопотоков северо - и южноуральских горно-таежных ландшафтов показал наличие значительных буферных возможностей последних.

Заключение

Впервые определены количественные параметры суммарных атмосферных выпадений большинства элементов на Урале. Установлено, что в таежных ландшафтах ежегодно поступает из атмосферы на 1 км2: Са и К— 1000 х п кг; 8, Иа, Бе, 81 и Мл —

•у' . 100 х п кг; А1, Р, 8г, Ва, Хп, Си — 10 х п кг; В, РЬ, ТСг, №. и других . элементов— п кг; V, Сс1, Аэ, 8е и других элементов— 100 х п. г. Представители группы редких земель и некоторые другие элементы поступают в таежные ландшафты в количестве, измеряемом 1 х п— л

10 х п г/км • год. Приведенные значения характеризуют поток атмосферных выпадений, усиленный взаимодействием с растительным компонентом.

Обнаружены сезонные количественные отличия аэрального массопотока. Выпадения большинства элементов за теплый период года превосходят значения холодного периода в п раз — на порядок. Суммарное выпадение элементов в теплый период года составляет 92 % годового массопотока. Указанный тренд закономерен: зимой активность живого вещества значительно замедляется, соответственно ослабевает воздействие полога леса на атмосферные выпадения и уменьшаются масштабы аэрального потока продуктов эвапотранспирации. Сезонный тренд указывает на важную роль биоклиматических факторов в рассматриваемом массопотоке.

Вблизи источников загрязнения атмосферного воздуха, в отличие от исследуемого фонового района, сезонные тренды могут быть обусловлены явлениями чисто техногенного характера (флуктуациями выбросов поллютантов в атмосферу) или изменениями природных процессов, которые накладываются на существующую техногенную основу (например, меняется роза ветров). Установлены и проанализированы сезонные различия влияния древесных растений на состав атмосферных выпадений: в холодное время года данное влияние проявляется нестабильно. Трансформация атмосферных выпадений пологом леса в теплый период года усиливается. 3. Определены особедности геохимии, эвапотранспирации в ландшафтах таежной и степной зон Урала.

Впервые выявлены масштабы аэрального потока продуктов эвапотранспирации в системе «почва — растительность — тропосфера» применительно к природным условиям Урала. Установлено, что в л таежных ландшафтах Урала ежегодно с 1 км мобилизуется в атмосферу: Са, Б, Ыа и К — 100 х п кг, Бе, и А1 — 10 х п кг, Р, Мп, В, Бг, Ва, гп и Си— п кг, ТI, Вг, Сг, РЬ, Бе, М — 100 х п г, О, гг, 8с, V, 8Ь, Сс1, 8п, Аэ, ва, Н^ и Со — 10 х п г. Многие рассеянные элементы переносятся в количестве, измеряемом 0,1—1 хп г/км2-год. ' Изученный поток суммы анализируемых элементов в таежных I ландшафтах составляет 27—33 % от таких значимых процессов, как атмосферные выпадения и вынос с речным стоком соответственно.

Обнаружено, что в массопотоке, вызванном эвапотрацспира

I ■ цией, возрастает относительное значение тяжелых металлов и близких им элементов, массы которых невелики, по сравнению с участием их масс в биологическом круговороте. Возможно, это свидетельствует о выработанном растениями в процессе эволюции механизме избавления от токсичных элементов путем транспирации.

Установлена связь состава конденсатов эвапотранспирационных выделений с местоположениями изученных участков. Констатировано увеличение концентраций элементов в конденсатах горнотаежного пояса по сравнению с подгольцовым, что объясняется биоклиматическими факторами. Как следствие, значения аэрального потока продуктов эвапотранспирации применительно к большинству элементов в горно-таежном поясе в несколько раз превышают соответствующие значения для подгольцового пояса (по сумме элементов в 2,7 раза).

Определен относительный вклад лесных ярусов в аэральный поток продуктов эвапотранспирации. В горно-таежном поясе эва-потранспирация травяно-кустарничкового яруса составляет 92 %, древесного яруса — 8 % от общего массопотока. Соответствующие параметры подгольцового пояса принципиально иные: в нем эва-потранспирация травяно-кустарничкового яруса составляет 42 %, древесного яруса - 58 % от общего массопотока.

4. Выявлены зональные различия аэральной миграции химических элементов в пределах Урала.

Атмосферный массопоток большинства элементов в степных ландшафтах больше в п раз, чем в таежных, соответственно суммарное значение выпадений элементов отличается в 1,9 раза.

Поток масс элементов, вызванный ^вапотранспирацией, в степных ландшафтах меньше в п раз, чем в таежных, соответственно суммарное значение транспорта элементов отличается в 3,4 раза.

В среднетаежных ландшафтах Северного Урала величина аэрального потока продуктов эвапотранспирации применительно к сумме элементов имеет порядок 1,7 т/км • год.

В степных ландшафтах Южного Урала этот же параметр оценивается величиной порядка 0,5 т/км • год.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора географических наук, Мельчаков, Юрий Леонидович, Екатеринбург

1. Авессаломова И. А. Геохимическая контрастность как отражение внутренней неоднородности ландшафтов // Вестн. МГУ. Сер. 5. География. 2000. № 4. С. 49—54.

2. Авессаломова И. А., Касимов Н. С. Геохимия ландшафтов горнорудных районов // География, общество, окружающая среда. Т. 4. 2004. С. 383—398.

3. Алексеенко В. А. Химический состав атмосферных осадков юго-восточного Забайкалья // Тр. ГГО. Вып. 344. Л., 1974. С. 231—239.

4. Алексеенко В. А. Геохимия ландшафта и окружающая среда. М.: Недра, 1990. 142 с.

5. Алексеенко В. А. Экологическая геохимия. М.: Логос, 2000. 626 с.

6. Алехина Н. Д., Балнокиц Ю. В., Гавриленко В. Ф. и др. Физиология растений. М.: Издательский центр «Академия», 2005. 640 с.

7. Аржанова В. С. Индикация пылевых атмосферных выпадений методом отмывки листьев древесной растительности // Геохимия зоны ги-пергенеза и техническая деятельность человека. Владивосток, 1976. С. 87—97.

8. Аржанова В. С., Елпатьевский П. В. Сравнение некоторых способов оценки влияния техногенеза на окружающую среду // Процессы миграции вещества в береговой зоне. Владивосток, 1978. С. 78—84.

9. Атлас Свердловской области. Екатеринбург: Роскартография. 1997. 49 с.

10. Ахмедсафин У. М., Гребенюков П. Г., Иванов В. Н. О влиянии транспирации растений на химический состав атмосферных осадков // Вестник АН Каз. СССР, 1978. № 3. С. 49—53.

11. Балашов Ю. А. Геохимия редкоземельных элементов. М.: Наука, 1976. 266 с.

12. Баргальи Р. Биогеохимия наземных растений. М.: Геос, 2005. 457 с.

13. Башкин В. Н. Оценка степени риска при расчетах критических нагрузок загрязняющих веществ на экосистемы // Тяжелые металлы в окружающей среде. Пущино. 1997. С. 177—186.

14. Башкин В. Н. Биогеохимия. М.: Научный мир, 2004. 584 с.

15. Башкин В. Н., Касимов Н. С. Биогеохимия. М.: Научный мир, 2004. 647 с.

16. Башмакова О. И., Матвеев А. А. Химический состав атмосферных осадков на территории СССР и количественная оценка поступления солей из атмосферы // Гидрохимия Урала. 1974. № 4. С. 47—56.

17. Бейдеман И. Н. К методике изучения водного режима растений // Бот. ж. 1956. № 2. С. 212—219.

18. Белан Л. Н. Экогеохимия ландшафта горнорудного района (на примере г.Учалы). Автореф. дис. .канд. геогр. наук. М., 1997. 14 с.

19. Беликов П. С., Дмитриева Г. А. Физиология растений: Учеб. пособие. М.: Изд-во РУДН, 1992. 248 с.

20. Берзиня А. Я. Загрязнение металлами растений в придорожных зонах автомагистралей // Загрязнение природной среды выбросами автотранспорта. Рига, 1980. С. 28—46.

21. Бериня Д. Ж., Берзиня А. Я., Калвиня Л. К., Шарковский П. А. Диагностика загрязненности биогеоценозов выбросами автотранспорта // Бюл. Почв, ин-та им. В. В. Докучаева. 1983. № 35. С. 41—46.

22. Берлянд М. Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 448 с.

23. Берлянд М. Е., Селезнева Е. С. Защита воздушной среды от загрязнения и исследования атмосферных примесей // Тр. ГГО. Вып. 344. Л., 1974. С. 209—231.

24. Беручашвили Н. Л., Жучкова В. К. Методы комплексных физико-географических исследований. М.: Изд-во МГУ, 1997. 320 с.

25. Беус А. А., Грабовская Л. И., Тихонова Н. В. Геохимия окружающей среды. М.: Недра, 1976. 248 с.

26. Блинов Б. К., Вертинская Г. К. Об оценке баланса свинца и ртути антропогенного происхождения в поверхностном слое почвы // Тр. ИЭМ, вып. 10 (86). 1980. С. 39-^7. —

27. Бондарев Л. Г. Роль растительности в миграции минеральных веществ в атмосферу // Природа. 1981. № 3. С. 86—90.

28. Брок Т. Мембранная фильтрация. М.: Мир, 1987. 464 с.

29. Буссенго Ж.Б. Избранные произведения по физиологии растений и агрохимии М.: Сельхозгиз, 1957. 544 с.

30. Вальтер Г. Растительность земного шара. Эколого-физиологическая характеристика. Т. 2. Леса умеренной зоны. М.: Прогресс, 1974. 423 с.

31. Вернадский В. И. Очерки геохимии. Л.: Гос. изд., 1927. 368 с.

32. Вернадский В. И. Биогеохимические очерки (1922—1932). М.: Л.: Изд-во АН СССР. 1940. 249 с.

33. Вернадский В. И. Биосфера. Избранные труды по биогеохимии. М.: Мысль, 1967. 376 с.

34. Виноградов А. П. Среднее содержание химических элементов в главных типах изверженных горных пород земной коры // Геохимия. 1962. № 7. С. 555—571.

35. Волков С. Н. Екатеринбург. Человек и город. Екатеринбург, 1997. 98с.

36. Волкова В. П. Химический состав атмосферных осадков, выпадающих на территории Депутатского района // Вестн. МГУ. Сер. 5. География. 1972. № 4. С. 97—100.

37. Ворончихина Е. А. Результаты биогеохимического мониторинга в заповеднике «Басеги» // Исследование эталонных природных комплексов Урала. Екатеринбург, 2001. С. 256—261.

38. Ворончихина Е. А., Жекин A.B. Современное состояние и динамика технофильной нагрузки на природную среду в Пермском крае // Геохимия биосферы. V международное совещание. Новороссийск, 2009. С. 93-95.

39. Гаджиева М. М., Бежаев М. С. Режим химического состава атмосферных осадков на территории Дагестана // Гидрохимические исследования. Махачкала. 1972. С. 24—26.

40. Географический атлас Оренбургской области. М.: Дик, 1999. 96 с.

41. Геохимия ландшафтов юго-восточного Зауралья. Л.: Изд-во ЛГУ, 1966. 183 с.

42. Глазовская М. А. О биологическом круговороте элементов в различных ландшафтных зонах (на примере Урала) // Физика, химия, биология и минералогия почв СССР. М., 1964в. С. 148—157.

43. Глазовская М. А. Ландшафтно-геохимическое районирование суши Земли. Вестник МГУ. Сер. География, 1967. № 5. С. 46—57

44. Глазовская М. А. Способность окружающей среды к самоочищению // Природа, 1979. № 3. С. 71—79.

45. Глазовская М. А. Критерии классификации почв по опасности загрязнения свинцом // Почвоведение, 1994. № 4. С. 110—120.

46. Глазовская М. А. Методология эколого-геохимической оценки устойчивости почв как компонента ландшафта // Известия РАН. Сер. географическая, 1997. № 3. С. 18—29.

47. Глазовская М. А. Геохимические основы типологии и методики исследований природных ландшафтов. Смоленск: Ойкумена, 2002. 287 с.

48. Глазовская М. А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов. М.: Географический факультет МГУ, 2007. 350 с.

49. Глазовский Н. Ф. Современные проблемы сопряженного изучения процессов миграции вещества // Вестн. МГУ. Сер. 5. География. 1975. №2. С. 27—35.

50. Глазовский Н. Ф. Техногенные потоки вещества в атмосфере // Добыча полезных ископаемых и геохимия природных экосистем. М.: Наука, 1982. С. 7—28.

51. Глазовский Н. Ф. Ландшафтно-геохимическое значение глубокого подземного стока в аридных областях СССР. Дис. . докт. геогр. наук. М.: МГУ, 1985. 643 с.

52. Глазовский Н. Ф. Ветроэнергетические условия атмосферного переноса минеральных веществ на юге СССР // Изв. АН СССР. Сер. География. 1986. С. 21—29.

53. Глазовский Н. Ф., Злобина А. И., Учватов В. П. Химический состав снежного покрова некоторых районов Верхнеокского бассейна // Региональный экологический мониторинг. М.: Наука, 1983. С. 67—86.

54. Глазовский Н. Ф., Учватов В. П. Химический состав атмосферной пыли некоторых районов ETC. Пущино: Препр. ин-та агрохимии и почвоведения АН СССР, 1981. 33 с.

55. Глазовский Н. Ф., Учватов В. П. Химический состав атмосферной пыли и его изменение после осаждения на кроны деревьев // Взаимодействие лесных экосистем и атмосферных загрязнителей. Ч. II. Таллин, 1982. С. 67—87.

56. Глотов Н. В., Животовский Л. А., Хованов Н. В., Хромов-Борисов Н. Н. Биометрия. Л.: Изд-во ЛГУ, 1982. 263 с.

57. Гольдшмидт В. М. Геохимия // Сборник статей по геохимии редких элементов. М.; Л.: Редакция горно-топливной и геолого-разведочной литературы, 1938а. С. 7—38.

58. Гольдшмидт В. М. Принципы распределения химических элементов в минералах и горных породах // Сборник статей по геохимии редких элементов. М. -Л.: Редакция горно-топливной и геологоразведочной литературы, 19386. С. 215—242.

59. Горчаковский П. Л. Флора и растительность высокогорного Урала. М.: Наука, 1975. 280 с.

60. Гребенюков П. Г., Сыдыков Ж. С., Иванов В. Н. Роль химического состава транспирационной воды в минеральном питании растений // Вестник АН Каз. СССР. № Ю. 1975. С. 49—53.

61. Гребенюков П. Г., Беляева М. Г. Вынос в атмосферу ионов солей из растений при транспирации // Сельскохозяйственная биология. 1976. Т. 11. № 2. С. 235—238.

62. Григорьев Н. А. О кларковом содержании химических элементов в верхней части континентальной коры // Литосфера. 2002. № 1. С. 61—71.

63. Давыдова Н. Д. Техногенная трансформация топогеосистем при воздействии пылегазовых эмиссий (состояние, прогноз, мониторинг): Автореф. дис. .докт. геогр. наук. Иркутск, 2001. 55 с.

64. Денисов П. В. Химический состав атмосферных осадков Северного Тянь-Шаня // ДАН СССР. 1956. Т. 110. № 5. С. 842—843.67

Информация о работе

Мельчаков, Юрий Леонидович
доктора географических наук
Екатеринбург, 2009
ВАК 25.00.23

Диссертация

Эвапотранспирационная миграция химических элементов в ландшафтах - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы