Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Изучение и моделирование реакции лесных почв на промышленное загрязнение азотом и серой

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Изучение и моделирование реакции лесных почв на промышленное загрязнение азотом и серой"

РГ6 од

2 2 СЕН ЬЯЬ

На правах рукописи

КИСЕЛЕВА Вера Владимировна

ИЗУЧЕНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕАКЦИИ ЛЕСНЫХ ПОЧВ НА ПРОМЫШЛЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ АЗОТОМ И СЕРОЙ

(Специальность 03.00.27 - почвоведение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва, 1998 г.

Работа выполнена на кафедре Общего почвоведения факультета Почвоведения МГУ.

Научный руководитель - доктор сельскохозяйственных наук,

проф. В.А.Рожков.

Официальные оппоненты - доктор сельскохозяйственных наук

В.А.Большаков, кандидат биологических наук Л.К.Садовникова

Ведущая организация - Всероссийский научно-исследовательский институт лесоводства и механизации лесного хозяйства

Зашита состоится "_"_ 1998 г. в 15 час. 30 мин. в ауд. М-2

на заседании диссертационного совета К053.05.16 в МГУ им. М.В.Ломоносова по адресу: Москва, 119899, Воробьевы горы. МГУ, ф-т Почвоведения.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ф-та Почвоведения МГУ.

Отзывы на реферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба присылать по указанному адресу, ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан "_"_199_г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Г.В.Мотузова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность темы

В последние годы в России активно проводятся исследования, связанные с оценкой состояния нарушенных природных экосистем и разработкой мер по снижению загрязнения окружающей среды. В связи с этим необходимы как обшая оценка устойчивости почв к загрязнению в масштабе всей страны, так и исследование механизмов отклика экосистем на загрязнение на конкретных объектах и определение предельно допустимых нагрузок загрязнителей. Очень важно также оценить способность нарушенных экосистем к восстановлению при снижении поступления загрязнителей. Именно этим вопросам и посвяшена данная работа.

Цель и задачи исследований

Целью работы было исследование изменений, происходящих в лесных экосистемах и, главным образом, почвах при разных уровнях загрязнения азотом и серой. В связи с этим в ходе исследований решались следующие задачи:

1. Оценить разнообразие почвенного покрова изучаемой территории с точки зрения устойчивости почв к загрязнению азотом и серой и определить наиболее чувствительные его компоненты.

2. Определить влияние современного уровня загрязнения на почвы, почвенные и поверхностные воды.

3. Выявить основные тенденции изменений в составе почв, осадков, почвенных и поверхностных вод при повышении и понижении уровня загрязнения.

4. Описать механизмы изменения почвенных свойств как при интенсивном загрязнении, так и при его ослаблении.

5. Применить методы картографического и балансового моделирования для описания происходящих изменений в исследуемых почвах.

Научная новизна работы

Впервые на основе конкретных полевых наблюдений для почв исследованной территории расчитаны суммарные критические нагрузки по азоту и сере и построены картографические модели кислотности почв и выпадения загрязнителей в процентах от критических нагрузок. Впервые в естественных условиях прослежена цепь процессов.

происходящих последовательно при повышении и снижении уровня загрязнения.

Практическая значимость

Описанная в работе балансовая модель для расчета критических нагрузок может быть использована для других загрязненных территорий. Данные по восстановлению почвенных свойств при снижении загрязнения могут быть применены для прогноза дальнейшего развития экосистем и планирования лесохозяйственных мероприятий.

Апробация и публикации

Результаты работы были представлены на международных конференциях "Acid Reign?'95" (Гетеборг. 1995 г.), "Влияние атмосферного загрязнения и других антропогенных и природных факторов на дестабилизацию состояния лесов Центральной и Восточной Европы'- (Москва, 1996 г.) и "Development and Implementation of Soil Conservation Strategies for Sustanable Land Use" (Фрайзинг, 1996 г.). По материалам диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 1 учебное пособие (в соавторстве).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения. 6 глав, выводов и приложений. Работа изложена на 125 машинописных страницах, содержит 25 таблиц и 9 рисунков. Список литературы включает в себя 120 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Аэротехногенное загрязнение лесных экосистем азотом и серой

Изменения почвенных свойств в результате поступления из атмосферы повышенных количеств азота и серы приводят к ухудшению состояния лесов во многих регионах Европы, в том числе и в России ("Forest Conditions in Europe". 1992). Основными аспектами воздействия загрязнителей на лесные экосистемы является рост кислотности почв и выщелачивание Ca, Mg и К. нарушение соотношения между питательными элементами в почве и тканях растений, повышение растворимости алюминия и ряда тяжелых металлов. При этом в лесных экосистемах возможно расчитывать по преимуществу на естественные механизмы, ослабляющие влияние загрязнителей. Именно почва в данном случае становится стабилизирующим компонентом экосистем. Вот почему так важно изучение почвенных свойств, обеспечивающих

устойчивость почв и экосистем в целом к разного рода загрязнителям, в частности, к подкислению.

С этой точки зрения изучение круговорота азота особенно интересно. Очень важно проследить, при каких условиях этот важнейший питательный элемент становится загрязнителем и вызывает подкпсленне почв.

Если атмосферное загрязнение незначительно, то дополнительный привнос азота оказывает стимулирующее действие на биоту (Aronson. 1992: Tamm, 1985; Gundersen. 199]).

При дальнейшем росте поступления азота в экосистемах будет происходить насыщение азотом. Насыщенной называется экосистема, у которой исчерпана возможность аккумуляции элемента (Skeffington. Wilson. 1989). В почвах насыщенных азотом экосистем резко возрастает содержание минеральных форм азота (Павлюкова. Гришко, 1996). Еще одна черта насыщения лесных экосистем азотом - появление видов-нитрофилов в составе растительных сообществ (Tyler, 1987; Вайчис и др.. 1991)

Многие реакции круговорота азота протекают с поглощением или отдачей протонов, и сдвиг .химического равновесия может вызвать изменение кислотности почвенного раствора. Выход протонов может составлять от 0 до 2 экв. на 1 экв. азота (Reuss, Johnson. 1986). Нитрификация может стать основной причиной подкисления почв и мобилизации алюминия (Макаров и др., 1990; Nilsson, 1985; Mulder et al.. 1988; Rasmussen et al.. 1988).

Анализ изменений, происходящих в экосистемах при избыточном поступлении азота и серы, дает возможность определить критические нагрузки, т.е. уровень антропогенного воздействия, превышение которого приводит к долговременным химическим изменениям, которые не могут быть уравновешены природными почвенными процессами ("Critical Loads for Sulphur and Nitrogen", 1986). Среди методов определения критических нагрузок можно выделить следующие: подсчет выноса элементов в процентах от их поступления, молярные соотношения между элементами питания. качественные методы -степень угнетения растительности (van Dijk and Roelofs. 1986; Falkengren-Grerup. 1986) и флористический состав напочвенного покрова (Tyler, 1987), балансовый метод и расчет критических нагрузок с помощью математических моделей. Расчитанные при помощи разных

методов критические нагрузки составляют, в зависимости от свойств почв и экосистем. 0.3-3 кг/га для протоков и 3-50 кг/га для азота.

О восстановлении загрязненных лесных экосистем известно немного. Снижение концентрации нитратов и щелочноземельных металлов в почвенных водах может произойти через 2-3 года после снижения уровня загрянзнения (van Miegroet and Cole. 1988). Для восстановления рН почв до контрольного уровня требуется 6-10 лет. а для восстановления прежней степени насыщенности основаниями -около 10 лет (Stuanes et al., 1992). Если же загрязнение привело к отмиранию или значительному повреждению древесного яруса лесных экосистем, на их восстановление уйдут десятки лет (Deumling, 1985; "Экосистемы в критических состояниях",1989).

Характеристика исследуемой территории

В ходе исследований изучались почвы мелколиственных лесов, расположенных на расстоянии до 5 км от Новгородского производственного объединения (НПО) "Азот". Основные загрязняющие компоненты выбросов НПО - окислы азота, аммиак, сернистый и серный ангидриды, окись углерода. Вблизи территории комбината существенно влияние пыли удобрений и цементной пыли. По данным химической лаборатории НПО 'Азот" за период с 1978 по 1988 г. выбросы SO; составляли от 2000 до 6000 т/год. NOx - от 2800 до 5300 т/год. NHr, - порядка 3100 т/год. При этом пик загрязнения приходился на 1983-87 гг. С 19S8 г. сократились выбросы серы, а с 199J г. - соединений азота.

Исследуемая территория находится в пределах Приильменской низменности, относится к подзоне южной тайги. Климат умеренно-холодный. переходный от морского к умеренно-континентальному. Среднегодовая температура воздуха +3.7°С. Среднегодовое количество осадков около 700 мм. Преобладают ветры южного, юго-западного и юго-восточного направлений.

По характеру рельефа исследуемая территория - плоская слаборасчлененная аккумулятивная озерно-ледниковая равнина, имеющая слабый уклон к северу. Абсолютная высота над уровнем моря не превышает 50 м.

Почвообразующие породы представлены:

а) двучленными четвертичными отложениями. Нижний водоупорный слой образован ленточными глинами, которые перекрыты

песками и супесями водно-ледникового проис-хождения. Смена пород происходит на глубине от 20 см до 1 м.

б) водно-ледннковыми песками и супесями, местами карбонатными с глубины 70-80 см.

в) суглинками водно-ледникового происхождения.

Почвы - дерново-среднеподзолистые. на двучленах - гдееватые. По мощности гумусового горизонта могут быть отнесены к средне- и глубокодерновым, по глубине нижней границы подзолистого горизонта - к неглубокоподзолистым. Общая мощность профиля не превышает 1 м. в профиле выделяются горизонты 0L-0(F+H)-A-AE(E)-B(ßD)-[B2]-C(D). По характеру почвообразующих и постилающих пород было выделено 5 групп почв:

1) дерново-подзолистые на кислых двучленных отложениях с глубоким (на глубине около 80 см) подстиланием глин:

2) дерново-подзолистые на нейтральных (карбонатных) песках и супесях:

3) дерново-подзолистые контактно-глееватые на двучленах с неглубоким (на глубине около 30 см) подстиланием кислых глин;

4) дерново-подзолистые контактно-глееватые на двучленах с неглубоким (на глубине около 30 см) подстиланием нейтральных глин;

5) дерново-подзолистые на суглинках;

В большинстве почвенных профилей мощность подстилки составляет 3-5 см. Дерновый горизонт имеет мощность около 15 см, характеризуется высоким содержанием органического углерода (3-6%), хорошо оструктурен. Подзолистый горизонт в разных почвах выражен в разной степени: от слабо отличимого от гор. А по цвету и наличию отмытых кварцевых зерен (обозначен как АЕ) до хорошо выраженного белесого горизонта с характерной плитовидной структурой (обозначен как Е). Его гранулометрический состав по сравнению с гор. А облегчен. Мощность его в разных разрезах составляет от 12 до 18 см. Горизонт В. независимо от своего гранулометрического состава, характеризуется одинаковым во всех профилях охристо-бурым цветом с ржавыми пятнами. В зависимости от глубины смены пород, в нижней части гор. АЕ или В могут наблюдаться сизые пятна контактного оглеения.

Физико-химические свойства почв представлены в табл. 1. Химические анализы во всех случаях показывают обедненность подзолистого горизонта обменными основаниями.

Таблица 1

Общая характеристика выделенных групп почв

Группа Гор. Глубина, рН води рН ко Собщ N06111, СМ Нгидр* Сумма Обмен. ЕКО Степ.

почв см % % обм. осн.* Н+А1* * насыщ., %

На двучл. О 0-3 4.89 3.97 39.67 1.60 30.3 74.83 34.67 4.54 50.44 31.33

сглуб. А 3-19 4.72 3.55 5.31 0.37 16.6 8.89 5.10 3.56 9.25 36.38

подстил. АЕ 19-30 4.80 3.87 0.66 0.08 9.75 5.35 2.99 1.76 5.33 35.85

глин В£ 30-78 4.85 4.05 0.20 0.05 5.07 1.50 11.21 0.38 11.98 88.20

Почвы О 0-3 5.76 4.46 42.35 1.19 41.9 49.83 51.70 2.73 66.70 51.14

на А 3-16 5.15 3.75 6.51 0.48 16.0 10.70 6.75 1.35 8.90 38.57

нсйтр. АЕ 16-28 5.17 4.01 1.84 0.12 17.7 5.70 2.00 1.54 4.03 25.97

песках В 28-67 5.67 4.31 0.13 0.08 2.0 1.15 11.24 0.20 11.63 90.72

На двучл. О 0-5 4.67 3.98 41.6 1.98 24.8 58.35 38.70 4.35 52.27 40.01

с блнзк. А 5-24 4.76 3.78 4.27 0.28 17.8 8.25 5.95 1.01 7.53 41.16

подстил. Eg 24-32 5.59 4.45 0.37 0.04 11.1 1.45 2.69 0.36 3.05 64.98

нейтр. тлин воё 32-50... 6.38 4.45 0.33 0.01 29.6 1.60 29.06 0.26 29.32 94.78

На двучл. О 0-3 4.89 4.04 39.65 1.58 29.4 65.17 33.74 3.56 46.17 34.11

сблизк. А 3-13 4.65 3.80 8.59 0.67 15.0 12.22 14.04 2.34 17.26 53.46

подстил. Е 13-23 4.74 3.80 2.26 0.19 13.7 7.35 5.70 4.10 10.34 43.68

кнел. глин ВО 23-50... 4.86 3.47 0.69 0.08 10.5 2.80 9.12 4.36 13.38 76.51

Почвы О 0-2 6.29 5.94 43.25 1.14 44.3 21.00 50.98 2.80 90.96 70.83

на А 2-15 4.98 4.08 3.88 0.33 13.6 7.47 8.56 3.60 12.55 52.93

суглин- АЕ 15-25 5.06 4.32 1.01 0.11 10.8 2.95 7.73 1.38 9.45 72.38

ках В 25-62 5.17 4.62 0.25 0.07 4.1 1.45 13.38 0.56 14.07 90.22

*- мг-чкв/100г почв

Растительным покров исследуемых участков представлен мелколиственными лесами. Преобладающей породой является осина, обычны также береза и ольха. Единично встречаются ель и дуб. Уже в 1983 г. отмечалось усыхание лесов в зоне действия НПО "Азот". В ходе исследований кафедры общего почвоведения в 1983-1984 гг.. по степени повреждения растительного покрова на расстоянии до 5 км от НПО было выделено 5 зон. К 1992-93 голу произошло смешение на I зону в сторону ухудшения состояния древостоя, а в 1-й наиболее загрязненной зоне (на расстоянии до 0.5 км) древесный ярус усох полностью.

Методы исследований

Полевые методы

В ходе исследований проводилось изучение химического состава почв, лизиметрических и поверхностных вод.

Образны почв отбирались однократно летом 1993 г. из 15 точек, расположенных на разном удалении от комбината в разных направлениях, в том числе с точек, где изучение почвенных свойств проводилось в 1983-84 гг. Отбор образцов верхних горизонтов проводился в тройной повторности.

Лля отбора ооразиов лизиметрических вод лизиметры в тройной повторности были установлены: а) в почвах на двучленах с глубоким подстиланием кислых глин (точки на расстоянии 0.8. 1.3 и 5 км от источника выбросов) и б) на нейтральных песках и супесях (точки на расстоянии 1 и 5 км |.

В качестве объекта хтя изучения состава поверхностных вод была выбрана р. Виточка, протекающая в непосредственной близости от комбината. Волы из нее отбирались в 3-х точках: в истоках на расстоянии 4 км к северу от комбината, в ближайшей к комбинату точке (1.5 км к северо-востоку) и близ устья (4 км к востоку). Образцы почвенных и поверхностных вод отбирались ежемесячно в период с мая по октябрь, до момента анализа хранились в холодильнике.

В марте 1994 г. была проведена снегомерная съемка. Образцы снега отбирались в тройной посторности в тех же точках, где образцы почв и лизиметрических вод.

Лабораторные методы

В образцах почв определяли рН водной и солевой суспензий, обменную и гидролитическую кислотность, содержание обменного Al (титриметрически и колориметрически), обменных Са и Mg

о

(комплексонометрически), обменных К и Na (спектрофотометрически), содержание общего углерода (методом сухого сжигания в подстилках и по Тюрину в минеральных горизонтах), общего азота (по Кьельдалю с колориметрическим окончанием - феноловым методом), обменного аммония (феноловым методом).

Поверхностные и лизиметрические воды, а также образцы снега, анализировались на рН, содержание Са, Mg. К, Na, Al и аммонийного азота (теми же методами, что и вытяжки из почв), содержание сульфатной серы (нефелометрически с барий-желатиновым реагентом), нитратного азота (дисульфофеноловым методом).

Математические методы

Для интерпретации полученных результатов применялся стандартный статистический анализ. Были подсчитаны коэффициенты корреляции между большинством проанализированных почвенных свойств, а также между содержанием разных элементов в лизиметрических водах. Для характеристики разнообразия почвенного покрова территории были построены дендрограммы сходства образцов гор. О и А. При помоши балансовой модели были определены критические уровни выпадения азота и серы, а также подсчитана протонная продукция верхних горизонтов почв. Были построены картографические модели распределения кислотности осадков и критических нагрузок, для чего использовалась программа Surfer.

Результаты исследований:

Оценка почв по устойчивости к подкислению

Классификация устойчивости почв к загрязнению азотом не разработана, так как для подобной оценки хля конкретных экосистем необходим ряд трудноопределяемых параметров, таких как способность экосистем удерживать поступающий азот через поглощение растениями и иммобилизацию в составе почвенного гумуса. Но поскольку в данном случае загрязнение азотом и серой приводит к подкислению почв, почвы были рассмотрены с точки зрения устойчивости к подкислению.

Согласно классификации М.А.Глазовской (1990), исследуемые почвы по набору показателей для всех горизонтов (включающему рН. степень насыщенности основаниями и ЕКО) можно отнести к разряду чувствительных и слабочувствительных к подкислению.

Расчеты запасов обменных оснований для слоя почв 0-50 см дают следующий ряд устойчивости почв (в порядке убывания): почвы на

двуиенах с близким полсгилаиием нейтральных г.шн IV2IJ.4 кжв/га i > почвы на суглинках (711.2 кжв/га) > почвы на лвучленач с близким полсгилаиием кислых глин (550.7 кжв/га) > почвы на нейтральных песках (515.1 кэкв/га) > почвы на двучленах с глубоким подстиланием глин ¡470.0 кжв/га).

На участках с наибольшим поступлением чагрячнителей окапываются почвы как с наибольшей, так и с наименьшей потенциальной устойчивостью к подкислению.

Состав осадков, лизиметрических и поверхностных вод

Осадки

Данные, полученные в 19X4 г. (Костенко. 19X5: Гришина и др.. 1990). указывают на высокие уровни поступления в почву на расстоянии до I 5 км or НПО аммонийного азота (30 мг/л. на гюрязок Польше фонового), сульфатной серы (до 24 мг/л. также на порядок больше фонового», кальция и магния (до 12 мг/л. в 2 раза больше фонового». Содержание нитратов в атмосферных осадках было невысоким (до 3 мг'л). но превосходило фоновое в 3 раза. Происходило также значительное подшелачивание осадков.

К* !tK>4 г. произошло существенное снижение концентраций аммонийного азота и серы в атмосферных осадках (максимальные концентрации порядка 1 мг/л). Однако, несмотря на снижение объема выбросов, также отмечено повышение концентраций ряда элементов на расстоянии до 1.5 км. в частности, аммонийного азота, сульфатной серы. Са и Mg. Повышенное содержание металлов и серы отмечается и на расстоянии 2.5 км к югу от НПО. что предположительно связано с влиянием выбросов предприятий г. Новгорода. На расстоянии 5 км. независимо от направления, содержание всех элементов в снежном покрове незначительно, а концентрации серы и азота не превышают 0.20.3 мг/л.

Во всех направлениях обнаруживается однозначная тенденция к увеличению рН осадков до 6.2-6.7 по мере приближения к источнику выбросов, тогда как на расстоянии 5 км значения рН снега находятся в интервале 5.2-5.5, что соответствует фоновому уровню. По сравнению с 1984 г. значения рН стали выше. Это связано с тем. что в 19X4 г. существенную роль в составе загрязнителей играли сульфаты и нитраты, компенсировавшие подщелачивающее действие аммонийного ачота. В

настоящее же время преобладающими элементами в осадках стали Са и Mg, наряду с аммонийным азотом вызывающие увеличение рН.

Лизиметрические воды

В 1983-84 гг. в условиях интенсивного загрязнения лесных экосистем соединениями азота и серы наблюдался повышенный вынос катионов металлов (Са, К), нитрат-ионов, сульфатов и

аммонийного азота. Так, по сравнению с фоном превышение составляло: по концентрациям Са, - в 5-10 раз, К - в 10-15 раз, Б - в 25-30 раз, нитратного азота - до 15 раз. Происходило также подкисление почвенного раствора до значений рН 4.8-4.9 по сравнению с фоном (5.75.8) и осадками (6.2) (табл. 2). Подкисление было вызвано интенсивной нитрификацией избыточного минерального азота.

Таблица 2

Состав лизиметрических вод в 1983 гг., мг/л (Гришина и др., 1990).

Расст., км Гор. Са м8 К N3 Ш^Н4 N-N03 8-504 рн

40 О 23.3 6.8 1.1 1.2 2.2 0.4 1.9 5.7

А 15.3 4.3 1.3 2.4 1.4 1.0 1.7 5.8

0.8 О 80.9 38.8 15.5 3.8 5.7 18.4 51.5 4.8

А 136.2 | 55.0 13.1 4.2 2.6 15.3 71.9 4.У

В настоящее время даже на расстоянии до 1.5 км от НПО концентрации большинства элементов в лизиметрических водах находятся на уровне фоновых (табл. 3). Исключение составляют Са, М§ и иногда К. Усиленный вынос обменных оснований вызван, по-видимому, повышенным их привносом с промышленной пылью (особенно Са). Другой причиной представляется сильное повреждение леса и, как следствие, пониженное потребление минеральных питательных элементов (Са, М^, К).

В самой ближней к комбинату точке (0.8 км) отмечается повышенное содержание сульфат-ионов в лизиметрических водах. Это объясняется, с одной стороны, их более высоким по сравнению с удаленными точками привносом в настоящее время. С другой стороны, за годы интенсивного загрязнения почва адсорбировала большое количество сульфатов, и сейчас может происходить их десорбция.

Что касается азотных соединений, то для них нельзя отметить какой-либо определенной закономерности. Хотя в осадках вблизи НПО в 1994 г. отмечены повышенные концентрации азотных соединений, на

содержании их в почвенных водах это, по-видимому, никак не сказывается.

Таблица 3

Состав лизиметрических вод в 1993-94 гг., мг/л.

Расст., км Гор. Са м2 К Ыа А1 ЫОЗ-Ы 504-8 РН

СВ, 5 О 7.2 4.6 8.8 1.3 0.15 1.7 1.2 0.05 6.10

А 5.1 11.2 2.2 2.4 0.24 0.2 0.13 0.02 5.31

АЕ 4.0 8.2 3.0 2.7 0.31 4.0 1.5 0.1 5.49

1.3 О 14.2 5.6 15.6 2.6 0.75 2.6 1.4 0.8 5.6~

А 20.5 6.8 9.8 3.9 0.84 0.7 0.8 0.8 5.35

АЕ 26.3 5.4 7.1 6.7 0.77 0.8 1.0 0.03 5.54

0.8 О 46.4 21.1 19.0 7.5 0.17 1.0 0.1 3.3 5.84

А 82.4 20.6 17.0 8.5 0.09 1.0 1.5 3.9 5.47

СЗ, 5 А 10.9 2.7 8.0 3.8 1.10 1.1 0.5 0.06 5.86

В 20.3 5.4 14.9 7.8 0.50 0.9 0.4 0.05 6.13

I А 19.9 9.0 1.8 2.7 0.56 0.2 1.0 0.1 5.77

В 45.2 13.5 0.3 7.7 0.13 0.8 0.7 2.6 6.62

Что касается алюминия, то его содержание в водах очень невелико. Оно в некоторой степени зависит от рН. но не коррелирует с содержанием соединений азота и серы (коэффиииеты корреляции равны соответственно -0.16 и -0.24).

Снижение уровня загрязнения в первую очередь сказалось на составе почвенных вод. Через 2-3 года после снижения выбросов серы резко сократился а>ь\нос сульфатов. Через 5 лет (а возможно, и ранее) после снижения выбросов N произошло снижение интенсивности нитрификации и выноса нитратов. То, что состав почвенного раствора по содержанию основных загрязнителей и значениям рН стабилизировался и близок к фоновому, говорит о том, что в почвах начался процесс восстановления. Однако, восстановление проходит лишь первые стадии, т.к. повышенный вынос обменных оснований все еще имеет место.

Поверхностные воды

В истоках р. Виточки, расположенных на растоянии 4-5 км к северу от НПО, концентрации нитратного и аммонийного азота, измеренные в 1993-94 гг.. составили соответственно 0.5 и 2 мг/л, а сульфатной серы -менее 0.1 мг/л.

По сравнению с истоками, в среднем течении (в 1.5 км от НПО) концентрации сульфатов и обеих форм азота не увеличиваются. Можно

отметить лишь повышение содержания щелочных и щелочноземельных элементов. Высокие концентрации кальция в истоках и среднем течении (20-40 мг/л) связаны, скорее всего, с тем. чго река протекает по территории, где почвообразуюшие породы представлены карбонатными песками.

В нижнем течении состав поиерхносгных вод претерпевает существенные изменения Очень ре$ко возрастают концентрации аммонийного азота (до 85 мг/л). нитратного азога (18 мг/л). кальция (128 мг/л). магния (24 мг'л). калия (30 мг/л). Исходя из того, что в среднем течении реки, дренирующей загрязненную территорию, не произошло существенных изменении концентрации большинства элементов, повышение минерализации поверхностных вод можно отнести на счет механического нарушения целостности экосистем - вырубки леса и распашки земель на прилегающих тегриториязч.

Рассматривая изменения, произошедшие в составе поверхностных вод с 1983 по 19УЗ г.. можно отметить снижение содержания серы в водах вблизи комбината (с 5.8 до 0.1 мг/л). что связано с существенным сокращением выбросов серы. Содержание же всеч остальных элементов осталось на прежнем уровне. Следует отметить, что в период интенсивного загрязнения концентрации соединении азота в поверхностных волах были в 5-8 раз ниже, чем в осадках. Этот факт подчеркивает важность почвы как стабилизатора экосистем при антропогенных нарушениях, когда почва играет роль барьера для загрязнителей.

Изменения в составе почв

Соединения азота

В ходе исследований были выявлены признаки насыщения лесных экосистем азотом, В подстилке во всех направлениях отмечается увеличение содежания общего азота и снижение атомного соотношения С:М (табл. 4). В точке на расстоянии 0.8 км от комбината по сравнению с 1983 годом произошло снижение соотношения С:Г\Г. хотя и статистически недостоверное (20.5 против 21.3. недостоверно при Р=0.95).

Содержание общего азота в минеральных горизонтах не указывает на накопление этого элемента. Однако, отмечается относительное обогащение почв азотом (выраженное как С:\) в гор. А почв на песках и почв на двучленах с глубоким подстиланием глин. Соотношение С^ в

дальних точках этих почв составляло, соответственно, 16.6 и 14.8, а в ближних точках 16.0 и 13.8.

По сравнению с 1984 г. в наиболее загрязненных почвах был отмечен рост доли обменного аммония в почвенном поглошаюшем комплексе, наиболее выраженный в подстилке (рис. 1).

Таблица 4

Содержание азота в подстилках исследуемых почв

Почвы на двучл. с глубоким подстиланием глин на нейтральных песках на двучл. с близким подстиланием нейтр. глин

Расст., км 5 1.3 0.8 5 2 1 2.5 1.5 1

Мобщ. % 1.60 2.38 2.30 1.19 1.58 1.73 1.20 1.40 2.03

с/ы 30.3 21.6 20.5 41.9 31.3 29.3 40.6 30.3 24.6

Изменение состава почвенного поглощающего комплекса

Изучение состава лизиметрических вод и балансовые расчеты показывают, что в период интенсивного внутрипочвенного подкисления, вызванного усилением нитрификации, происходил заметный вынос обменных оснований из верхних горизонтов профиля. На это же указывает и сравнительный анализ обменных свойств почвы с глубоким подстиланием глин на расстоянии 0.8 км в образцах 1984 и 1992 г.

Наиболее существенные изменения в составе ППК отмечены в гор. А. По сравнению с 1984 г. произошло понижение рН примерно на 0.5 ед. Значительно снизилось содержание кальция, магния и калия, а содержание обменного аммония увеличилось (рис. 1).

В подстилке и в гор. В содержание Са и М§ практически не изменилось, тогда как содержание обменного К уменьшилось. В то же время, возросло содержание обменного водорода и аммония в ППК этих горизонтов.

Если предположить, что нитрификация протекает наиболее интенсивно в нижнем подгоризонте подстилки на границе с гор. А, то образующиеся протоны, мигрируя вниз по профилю, вызвают усиленное выщелачивание именно из гор. А. За период с 1984 по 1992 г. из гор. А было вынесено 68% обменного Са. 54 % обменного 37 % обменного К.

В самой подстмлке содержание большинства обменных катионов не уменьшилось, т.к., по-видимому, поступление катионов с промышленной пылью способно компенсировать выщелачивающее действие кислотных компонентов на подстилку. Дополнительные количества металлов поступают и при минерализации растительного опада.

1992

1984 О

1992

1984 А

19Э2

1984 В

тъ1

ЕШ

i.CScTF' □И

ID Ш1

я NH4

■ Н

Е К

□ Mg

■ Ca

10

20

30

40

50

Рис. 1. Изменение состава ППК наиболее загрязненных почв за период 19S4-1992 гг.. мг-экв/100 г.

Использование методов балансового и картографического моделирования для определения критических нигрузик* и их превышения

Для исследоианных почв были подсчитаны критические величина: суммарного выпадения азота и серы по уравнению (выведено по "Critical Loads for Sulphur and Nirtogen". 1988: Gundersen. 1991):

+ Sinp = CUR + I- dB- Nßx + N„rm.,b + A'hnm + \Jm,lr + Se„„,„, +

S .

где CWR - скорость высвобождения обменных оснований при выветривании. I - привнос их с атмосферными осадками. dB -закрепление катионов в составе биомассы, \Пк - поступление азота в почву при азотфиксации. Л',,„„,Ih - иммобилизация азота в составе биомассы. \1шт - иммобилизация азота в составе почвенного гумуса. •^ckrntr - потери азота в результате денитрификаиип. Sv„„,n, -

t6

иммобилизация серы в составе биомассы, - адсорбция сульфатов. Результаты расчетов критических нагрузок представлены в табл. 5

В начале 80-х гг. в самой ближней к заводу точке критическая нагрузка была превышена примерно в 13 раз, и даже на расстоянии 5 км к северо-востоку сера и азот поступали в почву в количестве, примерно равном критическому. Это и повлекло за собой подкисление почв и обеднение обменными основаниями.

Таблица 5

Критические нагрузки по азоту и сере и поступление элементов в почвы __в разные периоды (экв/га в год)__

Расст., км Крит. нагр. Пост. Э Пост. N Сумма % от Крит, нагр.

Почвы на двучленах с глубоким подстиланием глин, 1993 г.

5 2920 20 29 49 1.7

1.3 6480 481 414 895 13.8

0.8 5900 438 343 781 13.2

Почвы на двучленах с глубоким подстиланием глин, 1983 г.

5 3670 3280 1007 4287 117.1

0.8 1690 10413 12036 22449 1328.3

Почвы на нейтральных песках, 1993 г.

5 4470 350 143 493 11.0

2 3670 20 129 149 4.1

1 3750 350 279 639 17.0

Почвы на двучленах с близким подстиланием нейтральных глин, 1993 г.

1 6750 306 200 506 7.5

1.5 3370 20 79 99 3.0

2.5 5470 480 107 587 10.7

Современные уровни выпадения элементов не превышают 10-15% от критического уровня. Максимальная величина (всего 17%) получена для почв на нейтральных песках на расстоянии 1 км от от НПО. Поэтому можно предполагать, что даже при увеличении объема производства или обветшании очистных сооружений рост выбросов азота и серы не приведет к дальнейшей деградации лесных экосистем. Напротив, при таких сравнительно низких уровнях загрязнения можно прогнозировать естественное восстановление нарушенных свойств почв.

Были построены картографические модели распределения кислотности осадков и выпадения загрязнителей в процентах от критических нагрузок на 1993-94 гг. (рис. 2). Рисунок показывает, что ареалы с наибольшим относительным привносом азота и серы занимают незначительную часть загрязняемой территории.

Рис. 2. Картографическая модель поступления азота и серы в "• критических нагрузок.

от

Расчеты протонной продукции были сделаны для профилей, в которых определялся состав лизиметрических вод (табл. 6) по уравнению ( van Breemen et al.. 1983):

H,** = <™/,„-sh;,,,,,) - iNo;,,,-ko;,,,,)- (sb42-m-sorm„>.

где индексы in и ont означают приток и вынос элементов в рассматриваемых горизонах.

Расчетная величина протонной продукции в наиболее загрязненных почвах по данным за 1984 год очень высокая, как за счет интенсивной нитрификации, так и за счет отрицательного баланса сульфатов в верхних горизонтах. Она в десятки раз превосходит количество Са, Mg. К. высвобождаемые при выветривании почвенных минералов в слое почв 0-50 см. Последняя величина была взята из литературных источников и принята равной 300-700 экв/га в год. Эти цифры согласуются с экспериментальными данными, указывающими на снижение рН почв и обеднение ППК обменными основаниями.

Таблица 6

Протонная продукция в исследуемых почвах, кэкв/га в год.

Гор. Почвы на двучленах с глубоким иодстнланнеч глин Почвы на нейтральных песках

5 км 1.3 км 0.8 км. 0.8 км, 1993 г. 19S4 г. 5 км 1 км

О 0.4И ; 0.89 0 60 1 27.3 не опр не опр.

А 0.13 1 0.40 0.58 I 2.9 0.05 0.20

На современном этапе в почвах на расстоянии 5 км протонная продукция в двух верхних горизонтах почв на дьячленд* составляет максимум 0.5 кэкв/га в год. что не превышает средней скорости выветривания. На расстоянии 1.3 и 0.8 км от НПО протонная продукция в кислых почвах с глу боким подстиланием глин остается невысокой - 1.3 и 1.2 кэкв/га в год. хотя и превосходит наибольшую скорость выветривания обменных оснований (700 экв/га в год), принятую для исследуемых почв. В почвах на нейтральных песках на расстоянии 1 км от НПО протонная продукция низка за счет положительного баланса сульфатов.

Таким образом, на стадии снижения уровня загрязнения уменьшился не только приток кислотных и кислотообразующих компонентов извне, но и продуцирование кислотности внутри самих почв.

По результатам исследований была составлена общая схема процессов, происходящих в растительности, почве и лизиметрических водах при последовательном возрастании и снижении уровня загрязнения. Были выделены 2 стадии антропогеного воздействия, которым предшествовал начальный этап зарязнения.

Реконструкция состояния экосистем на начальный период возможна по данным последующих наблюдений и по аналогии с литературными данными. Поступавшие в этот период количества азота и серы стимулировали рост растений, активизировалось поглощение элементов из почвы. Обогащение растительного опада активизировало его минерализациию. выход азота и обменных оснований в почвенный раствор и нитрификацию. Кислотность, обусловленная нитрификацией, могла быть нейтрализована за счет обменных оснований, минерализованных из состава опада. Можно также предположить, что на этом этапе происходила адсорбция сульфатов.

1 стадия - период интенсивного загрязнения. В это время интенсивность нитрификации в верхних горизонтах почв возросла на порядок по сравнению с незагрязненными почвами. Однако, объемы поступления азота превысили нитрификационную способность почв, и концентрации аммонийного азота в почвенных водах также возросли. Избыток аммонийного азота привел к дальнейшему повышению содержания азота в растениях и дисбалансу в поглощении питательных элементов. В результате, ухудшение состояния древостоя привело к снижению потребления питательных элементов, что еще более увеличило концентрации азота и обменных катионов в почвенном растворе. Обогащение почв азотом вызвало появление и развитие в растительном покрове видов-нитрофилов. Адсорбционная способность почв по отношению к сульфатам была постепенно исчерпана. Началось обеднение обменного комплекса почв основаниями, место которых заняли обменный водород и а им оний. рН почв снизился. При этом рН почвенного раствора все же поддерживался на таком уровне, при котором еще не происходила мобилизация А1.

2 стадия - период снижения загрязнения. Первой реакцией экосистем на снижение привноса загрязнителей было изменение состава почвенного раствора. Резко снизились концентрации нитратной и аммонийной форм азота. Можно предположить, что избыток минерального азота был вынесен из почвы в первые же год-два после установки очистных сооружений. Концентрация сульфатов в почвенном

растворе также существенно уменьшилась, хотя и превышала фоновую. Это говорит о том. что десорбция поглощенных почвами сульфатов к 1994 г. еще не закончилась. Вынос обменных основний, хотя и снизился по сравнению с предыдущим этапом, все еще значительно превосходит фоновый.

В последующие годы можно ожидать дальнейшего снижения концентрации серы в почвенных водах и стабилизации ее на фоновом уровне, а также снижения интенсивности выщелачивания обменных оснований. Обменный комплекс наиболее загрязненных почв обеднен основаниями, и его восстановление возможно только при значительном привносе катионов извне (с цементной пылью, как это происходит возле комбината). Возможно также восстановление исходного видового состава растительного покрова там, где сохранилась осина -преобладающая древесная порода. На расстоянии 0.8 км, где виды-доминанты древесного яруса уничтожены, восстановления лесной экосистемы в исходном состоянии маловероятно.

Выводы

1. Дерново-подзолистые почвы территории, прилегающей к Новгородскому производственному объединению "Азот", различаются по устойчивости к подкнслению. Выделено 5 групп почв разной устойчивости. которая определяется, прежде всего. составом почвообразуюших и подстилающих пород. Наиболее устойчивыми к подкнслению являются дерново-подзолистые почвы с близким подстиланием нейтральных глин, наименее устойчивыми - дерново-подзолистые почвы на кислых песках с глубоким подстиланием глин и на нейтральных песках и супесях. Последние почвы расположены в направлении преобладающего переноса загрязнителей и подвергаются наиболее интенсивному загрязнению.

2. В динамике загрязнения лесных экосистем выбросами НПО "Азот" можно выделить два этапа: период интенсивного загрязнения (1980-1991 гг.) и период резкого снижения загрязнения (с 1991 г. по настоящее время).

3. Повышенный привнос соединений азота в период интенсивного загрязнения приводил к усилению нитрификации в верхних горизонтах почв. Вместе с привносом сульфатной серы, превышающим сульфат-сорбшюнную способность почв, это приводило к подкнслению почв и интенсивному выщелачиванию обменных оснований из гор. А наиболее

загрязненных почв. Анализ состава ППК показал, что за период с 1984 по 1992 г. произошло обеднение горизонта кальцием (на 68%), магнием (на 54%) и калием (на 37%). увеличилось содержание в ППК обменного водорода и аммония.

4. Сравнение загрязненных и наиболее удаленных от НПО точек по двум направлениям преобладающего переноса загрязнителей показало, что за период интенсивного загрязнения произошло относительное повышение содержания общего азота в подстилке, а также снижение соотношения СЛЧ в гор. О и А.

5. Анализ состава атмосферных осадков и лизиметрических вод свидетельствует, что с 1991 г. произошло значительное (на порядок) снижение концентраций соединений азота и серы как в осадках, так и в лизиметрических водах. Это дает основание говорить о том, что на интенсивно загрязненной территории сложились условия, благоприятные для начала восстановления почвенных свойств.

6. Критические нагрузки по азоту и сере для трех групп дерново-подзолистых почв, определенные при помощи балансовой модели, варьируют от 2 до 6 кэкв/га в год. В период интенсивного загрязнения суммарный привнос азота и серы в почвы на расстоянии 0.8 км от НПО превышал расчетную критическую нагрузку в 13 раз, а на удалении 5 км был примерно равен критическому значению. После снижения загрязнения суммарное поступление азота и серы составляет, как правило. 10-15% от критических нагрузок.

7. Протонная продукция в гор. О и А, также определенная при помощи простой балансовой модели, в период интенсивного загрязнения в десятки раз превосходила скорость высвобождения катионов Са, К при выветривании минералов и составляла около 30 кэкв/га в год. После снижения загрязнения протонная продукция в большинстве профилей не превышает 0.5 кэкв/га в год, что меньше или равно скорости высвобождения катионов при выветривании, и только в наиболее загрязненных почвах превосходит ее вдвое.

8. Общая схема процессов, происходящих в почве при высоком и низком уровнях загрязнения, подволяет сделать прогноз о возможном естественном восстановлении нарушенных лесных экосистем, в частности, о восстановлении напочвенного растительного покрова и исходного состава почвенного поглощающего комплекса.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Трансформация форм соединений алюминия и железа в почвах модельных опытов под воздействием кислых осадков // Вестн. Моск. Унта, сер. 17. Почвоведение. 1991, N2; с. 68-70.

2. Трансформация соединений алюминия и железа в лесных почвах под воздействием кислых осадков // Почвоведение, 1994, N 4, с. 129-136 (в соавторстве).

3. Acidification and nutrient imbalance in forest soils subjected to nitrogen deposition //Water. Air and Soil Pollution, 1995, vol. 85, no. 3. pp. 1137-1142 (в соавторстве).

4. Состояние лесных экосистем, поврежденных серно-азотными промышленными выбросами // Тез. докл. Межд. науч. конф. "Влияние атмосферного загрязнения и других антропогенных и природных факторов на дестабилизацию состояния лесов Центральной и Восточной Европы", М., 1996, т. 1, с. 23-25.

5. Transformation of forest soils subjected to impact of acidic deposition // Abstr. of the ESSC Second Intern. Congr. "Development and Implementation of Soil Conservation Strategies for Sustanable Land Use!' Technical Univ. of Munich. 1996. p. 63 (в соавторстве).

6. Принципы и методы оценки устойчивости почв к кислотным выпадениям. М., Изд-во МГУ. 1998. 96 с. (в соавторстве).

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Киселева, Вера Владимировна, Москва

/Г/-' м-

Ж

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М.В.ЛОМОНОСОВА

ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ

На правах рукописи

КИСЕЛЕВА Вера Владимировна

ИЗУЧЕНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕАКЦИИ ЛЕСНЫХ ПОЧВ НА ПРОМЫШЛЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ АЗОТОМ И СЕРОЙ

(Специальность 03.00.27 — почвоведение)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель — докт. с.-х. наук, профессор

В.А.Рожков

Москва, 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...............................................5

1. Обзор литературы

1.1. Аэротехногенное загрязнение лесных экосистем

азотом и серой: общий обзор...............................7

1.2. Специфика азота как загрязнителя.......................10

1.2.1. Особенности круговорота азота

в естественных лесных экосистемах.................... 11

Поступление азота из атмосферы......................12

Поступление азота с опадом.......................... 13

Превращение азотных соединений в почве.

Нитрификация.....................................13

Естественные потери азота из почв.................... 15

Распределение азота внутри лесных экосистем...........16

1.2.2. Эффект повышенного поступления азота Сравнительный анализ поступления азота

с удобрениями и атмосферными осадками ...............17

Последствия слабого загрязнения азотом................ 18

Насыщение экосистем азотом.........................19

Кислотно — основной дисбаланс........................24

1.3. Критичекие нагрузки.................................30

1.4. Восстановление загрязненных экосистем.................37

2. Объекты и методы исследований

2.1. Общая характеристика района исследований..............40

2.2. Характеристика источника загрязнения...................41

2.3. Растительность.......................................42

2.4. Почвенный покров...................................45

2.5. Методы исследований.................................46

3. Характеристика осадков, поверхностных вод и почв

3.1. Состав атмосферных выпадений........................51

3.2. Характеристика поверхностных вод . . . ..................55

3.3. Пространственное распределение почв...................57

3.4. Физико-химические и химические свойства почв.........59

3.5. Оценка устойчивости почв к подкислению................64

4. Реакция лесных почв на загрязнение азотом и серой

4.1. Изменение состава лизиметрических вод.................68

4.2. Баланс элементов....................................72

4.3. Влияние загрязнения на содержание соединений азота.....77

4.4. Изменения в составе почвенного поглощающего комплекса . .83 5. Определение критических уровней выпадения азота

и серы при помощи моделей

5.1. Вывод балансовых уравнений.......................... 87

5.2. Критические нагрузки для азота и серы................. 90

5.3. Протонная продукция верхних горизонтов почв...........98

д. Общая схема процессов, соответствующих

разным стадиям загрязнения............................100

Выводы..............................................106

Список литературы.................................... 109

Приложения..........................................123

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы многочисленные исследования позволили выявить серьезность экологических последствий воздействия разных загрязнителей. Большое внимание уделялось и уделяется подкислению почв, вызванному привносом оксидов серы и азота с атмосферными осадками. С этой точки зрения изучение круговорота азота особенно интересно, так как позволяет проследить, как основной питательный элемент при определенных условиях может стать загрязнителем.

Во многом благодаря научным исследованиям, правительства многих индустриальных стран приняли национальные и международные программы по сокращению промышленных выбросов. В связи с этим для быстрого и доступного прогноза состояния окружающей среды были разработаны компьютерные модели. Однако, фактические данные о процессах, происходящих в почвах при снижении уровня загрязнения, пока ограничены. Как правило, все сводится к обобщенным прогнозам, полученным на основе математических моделей. При этом обычно рассматривается один загрязнитель, редко речь идет о комплексном загрязнении.

В настоящей работе рассматриваются механизмы отклика лесных экосистем подзоны южной тайги (Новгородская обл.) на комплексное загрязнение азотом и серой при разной интенсивности загрязнения, а также оценивается способность нарушенных лесных экосистем к восстановлению.

В ходе исследований решались следующие задачи:

1. Оценить разнообразие почвенного покрова изучаемой территории с точки зрения устойчивости почв к воздействию выбросов и определить наиболее чувствительные его компоненты.

2. Определить влияние современного уровня загрязнения на почвы, почвенные и поверхностные воды.

3. Сравнивая современные данные с данными, полученными 10 лет назад, выявить основные тенденции изменения свойств почв и других компоненов биогеоценоза во времени. При этом рассматривались как параметры круговорота азота (как основного макроэлемента и вместе с тем основного загрязнителя), так и кислотно — основное состояние почв.

4. Описать механизмы изменения почвенных свойств как при интенсивном загрязнении, так и при его ослаблении.

5. Применить методы картографического и балансового моделирования для описания происходящих изменений в исследуемых почвах.

■р| ^ V» _

В результате исследовании для изучаемой территории впервые расчитаны суммарные критические величины выпадения азота и серы, основанные на данных полевых наблюдений, а также построены картографическая и балансовая модели загрязнения исследуемых почв. Впервые в естественных условиях прослежена цепь процессов, происходящих последовательно при повышении с снижении уровня загрязнения, построена их общая схема.

Описанная в работе простая балансовая модель может быть применена для подсчета критических нагрузок на других загрязненных территориях. Полученные данные по восстановлению почвенных свойств могут быть применены для прогноза динамики экосистем и планирования лесохозяйственных мероприятий.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. АЭРОТЕХНОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ АЗОТОМ И СЕРОЙ: ОБЩИЙ ОБЗОР

Детальное изучение аэротехногенного загрязнения началось тогда, когда был зарегистрирован серьезный ущерб, наносимый загрязнителями лесам многих районов Европы. Тогда же были выделены азот и сера как главные компоненты промышленных выбросов, способные вызывать подкисление почв на глобальном уровне за счет атмосферного переноса на большие расстояния.

Табл. 1.1 содержит данные по выпадению азота и серы на территории России и стран СНГ, а табл. 1.2 — данные по эмиссии и выпадению азота в странах Европы. Для сравнения, на большей части Северной Америки приход азота в 80 —х гг. составлял 2.5 кг/га в год в виде сухих выпадений и 0.2 — 1 кг/га в виде влажных выпадений; в районе Великих Озер суммарный годовой привнос был примерно равен 15 кг/га (Shannon, Lesht, 1986).

Таблица 1.1

Выпадение азота и серы на территории России, кг/га в год (по "Обзор состояния окружающей природной среды...", 1990)

Территории S-S04 N-N03 N-NH4

Глобальный фон <1 <1 <1

Территории, удаленные от пром. регионов <2.5 <2 <2

Внешняя часть ареалов загрязнения пром. регионов 2.5-5 2-5 2-5

Средняя часть ареалов загрязнения 5- 10 2-5 5- 10

Пром. регионы и зоны ближнего переноса 10-20 5- 10 >10

Крупные пром. регионы 20-35 >10 >10

Таблица 1.2

Средние расчетные величины эмиссии и выпадения азота в Европе,

кг/га в год (по 8ке!Нпд1оп, 1990).

Страны Эмиссия Эмиссия Выпадение Выпадение

N-N03 N — №-14 N-N03 N — №14

Центральная 8-40 8-27 9-10 8-10

Европа

Нидерланды 47 40 9 13

Восточная 5-15 11-14 3-7 5-7

Европа

Скандинавия 2 1 1-2 1-2

Россия 3 8 2 4

В России информация о масштабах повреждения и гибели лесов в результате промышленного загрязнения появилась только на рубеже 80 —х и 90 —х годов. По данным службы Росагросервис, к началу 90 —х гг. в России было в той или иной степени повреждено промышленными выбросами около 1 млн. га лесов, причем около 40% из них находились на стадии усыхании или отмерли полностью ("Обзор санитарного состояния лесов России...," 1994). Самый высокий процент усыхающих и отмерших лесов на единицу лесной площади (>0.5%) отмечен в Мурманской обл. и Красноярском крае, там, где расположены крупнейшие предприятия по переработке цветных металлов, являющиеся и крупнейшими источниками выбросов серы. В Новгородской области, на территории которой проводились исследования, представленные в данной работе, доля усыхающих и отмерших лесов находится в пределах 0.1—0.5% от покрытых лесом площадей области.

Воздействие загрязнителей на состояние деревьев может быть прямым через фумигацию и кислотные ожоги на кронах и косвенным — через изменение почвенных свойств. Если первый вид

воздействия регистрируется локально в непосредственной близости от источников заягрзнения, то изменения почвенных свойств в результате выпадения кислотных или кислотообразующих осадков стали действительно глобальной проблемой в связи с трансграничным переносом серы и азота. Именно изменения почвенных свойств приводят к ухудшению состояния лесов во многих регионах Европы ("Forest Conditions in Europe", 1992). Основным фактором ослабления лесов является дисбаланс минерального питания. Он выражается в:

1) росте кислотности почв и выщелачивании Ca, Mg и К;

2) нарушении соотношения между питательными элементами в почве и тканях растений, снижение доступности одних элементов (например, Mg и К) при усиленном избирательном поглощении других (аммонийного азота);

3) повышении растворимости алюминия и ряда тяжелых металлов с увеличением кисотности до концентраций, токсичных для растений и микроорганизмов;

4) снижении устойчивости деревьев к болезням и вредителям в результате их ослабления, вызванного дисбалансом минерального питания.

Если на сельскохозяйственных землях влияние промышленного загрязнения можно компенсировать известкованием, внесением органических удобрений и другими мероприятиями, то в лесных экосистемах возможно расчитывать, по преимуществу, на естественные механизмы, ослабляющие влияние загрязнителей. Именно почва в данном случае становится стабилизирующим компонентом экосистем. Вот почему так важно изучение почвенных свойств, обеспечивающих устойчивость почв и экосистем в целом к

разного рода загрязнителям, в частности, к подкислению, которое вызывается повышенным привносом серы и азота.

С этой точки зрения Б. Ульрихом (Ulrich, 1983) была предложена концепция буферных рядов по отношению к подкислению почв. В ее основе лежит выделение преобладающих реакций, протекающих в почве на разных стадиях подкисления, соответствующих разным интервалам рН. Эти ряды включают пять основных механизмов нейтрализации кислотности в почве (в порядке снижения рН): растворение гидрокарбонатов, выветривание почвенных минералов, обменные реакции, растворение соединений алюминия и растворение соединений железа. К этим реакциям можно добавить и адсорбцию суьфатов, происходящую с поглощением 1 или 2 экв протонов на 1 экв S042~ (Rajan, 1978), а также протонирование органических соединений (James and Riha, 1986).

1.2. СПЕЦИФИКА АЗОТА КАК ЗАГРЯЗНИТЕЛЯ

Среди загрязняющих веществ азот занимает особое положение. Во —первых, это не просто биофильный элемент, но важнейший компонент питания растений. Содержание его в тканях растений и органогенных горизонтах почв составляет несколько процентов. Во —вторых, круговорот азота происходит исключительно при участии живых организмов, главным образом, почвенных микроорганизмов. Изменение баланса азота в экосистеме затрагивает все компоненты биогеоценоза. В —третьих, в отличие от серы или тяжелых металлов, азот не образует нерастворимых соединений (за исключением несемейной фиксации аммония на поверхности глинистых минералов), и единственным механизмом

выведения избыточных количеств азота из биологического круговорота являются реакции биогенной аккумуляции в составе растительности или почвенного гумуса. Однако, как показывают исследования, емкость этих реакций в лесных экосистемах невелика и составляет единицы кг/га в год ("Mapping and Modelling of Critical Loads for Nitrogen...", 1995, p. 81). В — четвертых, загрязнение азотом вызывает изменения сразу в нескольких направлениях: эвтрофикацию, дисбаланс в питании растений и подкисление почв в результате нитрификации.

Ситуация еще более осложняется при воздействии комплекса загрязнителей, когда действие одних компонентов может усиливать или замедлять действие других. Например, при совместном выпадении сульфатов и нитратов их взаимодействие включает два противоположных процесса: с одной стороны, нитраты, подкисляя раствор, способствуют более интенсивной адсорбции серы, с другой стороны, при высоких концентрациях нитратов они могут вытеснять адсорбированные сульфаты (Homann and Harrison, 1992).

В связи со спецификой азота как загрязнителя и особенностями изучаемого объекта загрязнения, в составе выбросов которого преобладают соединения азота, следует детально рассмотреть особенности круговорота азота в естественных и загрязненных лесных экосистемах.

1.2.1. Особенности круговорота азота в естественных лесных экосистемах

Особенности биологического круговорота азота в лесах обусловлены тем, что для большинства лесных экосистем наличие

доступных растениям азотных соединений — лимитирующий фактор.

В лесных экосистемах есть два основных источника азота — атмосфера и растительный опад.

Поступление азота из атмосферы

Из атмосферы он может поступать двумя путями — с атмосферными осадками или через азотфиксацию. Азотные соединения атмосферных осадков представлены как минеральными (амиачной и нитратной), так и органическими формами. Часть азота поглощается непосредственно поверхностью листьев или микроорганизмами, населяющими филлосферу; большая же часть достигает почвы в виде влажных выпадений (Johnson, 1993). В естественных условиях содержание соединений азота в атмосферных осадках невелико. Однако, Swank (1984) указывает на атмосферный азот как на значительную статью баланса этого элемента в лесных экосистемах. По его подстчетам, привнос азота в почву в количестве от 1 до 15 кг/га в год может составлять до 70% от того количества элемента, которое поглощается деревьями в процессе роста и идет на формирование древесины.

В подавляющем большинстве природных сообществ атмосферный азот усваивается путем несимбиотической азотфиксации. которая может осуществляться многими группами микроорганизмов. М.М.Умаров (1982) приводит список примерно из 15 групп, указывая, что он далеко не полный. Этот процесс протекает не только в почвах, но и в других средах — донных отложениях, водах, филлосфере и т.д. (Умаров, 1984).

В большинстве лесных почв объемы азотфиксации незначительны. Единственное исключение представляют собой

ольховые леса, где весьма активна симбиотическая азотфиксация. В разных литературных источниках приводятся следующие данные по объемам азотфиксации в лесных почвах в естественных условиях (табл. 1.3).

Таблица 1.3

Объемы азотфиксации в лесных почвах

Лесные почвы Азотфиксация, кг/га в год Источник

подстилки лиственных лесов Подмосковья 10-20 Егорова, Калининская, 1981

подстилки хвойных лесов Подмосковья около 3 то же

почвы хвойных лесов 0.3-3.8 Cushon and Feller (1989)

почвы лиственных лесов 0.2- 12.0 то же

подстилки березовых лесов 1.4 Nohrstedt, 1988

почвы ольховых лесов 60-210 Dawson, 1983

Поступление азота с опадом

Доступный растениям азот может также поступать в почву в результате минерализации опада. Минерализация растительного опада — "вторичный" источник азота. Ее интенсивность зависит от состава опада. Так, при соотношении C:N>40 азот присутствует в недоступной для биоты форме, и минерализация сильно замедлена. Особенно низкая скорость минерализации отмечается в хвойных лесах (Brown and Fyles, 1996). Объемы минерализуемого в этих экосистемах азота, как правило, не превышают 1 кг N/ra в год.

Превращение азотных соединений в почве. Нитрификация

Весь поступающий в лесные почвы азот вовлекается в биохимические реакции. Та часть азота, которая не была поглощена растениями, подвергается в почве различным химическим преващениям. Скорости этих реакций в той или иной степени определяют устойчивость лесных экосистем к повышенному

поступлению азота. С точки зрения поставленных в работе задач, наиболее важна нитрификация аммонийного азота.

В зависимости от условий среды, нитрификацию осуществляют разные группы микроорганизмов. В нейтральных почвах (рН 6 — 7) это, главным образом, бактерии. В кислых почвах со значениями рН от 3.9 до 5.7 протекает гетеротрофная нитрификация (Johnsrud, 1978; Stevens and Wannop, 1987), которую осуществляют актиномицеты. Е.С.Василенко и Т.К.Ильина (1993) описывают нитрификацию аммония, высвобожденного при разложении фульвокислот в дерново — подзолистых почвах, производимую грибом рода Penicillum. В слабокислых почвах авто— и гетеротрофные процессы могут протекать одновременно, гетеротрофы могут подключаться к нитрификации на разных ее стадиях (Кутузова, 1988, 1993).

При гетеротрофной нитрификации органические соединения являются основным и