Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Медь и никель в подзолистых Al-Fe-гумусовых почвах северной тайги в условиях промышленного воздушного загрязнения

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Медь и никель в подзолистых Al-Fe-гумусовых почвах северной тайги в условиях промышленного воздушного загрязнения"

На правах рукописи

ГОРЯИНОВА Валерия Павловна

МЕДЬ ¡1 НИКЕЛЬ В ООРЖТЫН А!-Ре-ГУМУЕ0ЙЫК ПОЧВАМ СЕВЕРНО!] ТАП В УСЛОВЕН ПРОМЫШЛЕННОГО ВОЗДУШНОГО ЗАГРЯЗНЕН!

Специальность - 03.00.27 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 1996

Работа выполнена в Институте проблем промышленной экологи Севера Кольского научного центра Российской академии наук.

Научный руководитель:

доктор биологических наук Никонов В.В.

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Карпачевский Л.О. канд идат биологических наук Лысиков А.Б. Ведущее учреждение:

Кафедра геологии и геохимии ландшафта Московско1 государственного пед агогического института

Защита состоится "......" .................................. 1996 г. в 15 час.ЗО ми

на заседании диссертационного совета К 053.05.16 в аудитор™ М факультета почвоведения МГУ им. М.ВЛомоносова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультет почвоведения МГУ.

Автореферат разослан "......" ................................... 1996 г.

Отзывы на автореферат просьба направлять по адресу: 11985 Москва, ГСП, Воробьевы горы, МГУ, факультет Почвоведения, Учень совет.

Ученый секретарь

диссертационного совета К 053.05.16 доктор биологических наук

Г.В.Мотузов;

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В последние десятилетия резко возрос научный интерес к изучению поведения микроэлементов в природных средах. Это связано с активным включением все более широкого спектра ханных элементов в биогеохимические циклы в результате деятельности теловека. Среди многочисленных загрязняющих веществ особое место $анимают тяжелые металлы. В настоящее время эти металлы товсеместно входят в состав воздушных промышленных выбросов, зызывая нарушения окружающей среды. Медно-никелевые комбинаты шляются признанными источниками загрязнения на Севере, медь и шкель - преобладающими компонентами выбросов. Так, ежегодные зыбросы никеля и меди на Кольском полуострове в период 1987 -1993 х. составили 3.7 и 2.6 тыс. т соответственно и несколько уменьшились в 1994-1995 гг. - 1.8 и 1.1 тыс. т . Промышленное зоздушное загрязнение вызывает нарушения лесных биогеоценозов неверной Фенноскандии (России, Норвегии, Финляндии).

Представления о распределении и поведении никеля и меди в доминирующих на Севере подзолистых А1-Ре-гумусовых почвах единичны и отрывочны. Известен ряд результатов исследований, посвященных аккумуляции меди и никеля в отдельных компонентах экосистем (почвах, растительности, атмосферных выпадениях), подверженных загрязнению. Однако комплексные исследования, позволяющие всесторонне оценить поведение металлов в почве как компоненте лесных биогеоценозов (БГЦ) с учетом поступления их из атмосферы, перераспределения потока растительным пологом, поглощения растениями, внутрипочвенной миграции, формирования педогенных и фитогенных барьеров, до настоящего времени не проводились.

Цель исследований - выявление особенностей распределения и поведения никеля и меди в подзолистых А1-Ре-гумусовых почвах как компонентах сосновых БГЦ Кольского полуострова в природных (фоновых) условиях и в условиях промышленного воздушного загрязнения.

Для осуществления поставленной цели решали следующие задачи:

• Исследовать профильное распределение металлов (валовое содержание и подвижные формы).

• Оценить водную внутрипрофильную миграцию металлов.

• Охарактеризовать атмосферные выпадения металлов и роль древесного полога в трансформации атмосферных потоков.

• Определить поглотительную способность подзолистых Al-Fe-гумусовых почв к никелю и меди при усилении кислотной нагрузки в условиях эксперимента.

• Оценить аккумуляцию металлов доминирующими видами растительности.

• Выявить роль почвы как биогеохимического барьера для меди и никеля.

Научная новизна.

• Впервые в условиях длительного полевого эксперимента дан многосторонний анализ распределения и поведения никеля и меди в подзолистых Al-Fe-гумусовых почвах как компонентах доминирующих на Севере сосновых БГЦ в природных условиях и в условиях промышленного воздушного загрязнения.

• Оценены годовые и сезонные атмосферные потоки поступления металлов в биогеоценозы.

• Выявлены внутрибиогеоценотические (парцеллярные) особенности миграции и аккумуляции никеля и меди.

• Охарактеризованы поглотительные свойства подзолистых Al-Fe-гумусовых почв в отношении соединений никеля и меди.

• Показано, что в условиях промышленного воздушного загрязнения соединениями меди и никеля лесные БГЦ Севера являются биогеохимическим барьером для металлов, концентрируя их в органах многолетних растений (фитогенный барьер) и верхних органогенных горизонтах почв (педогенный барьер). Гибель растений и разрушение подстилки ведет к потере уникального природного биогеохимического эффекта.

Практическая значимость. Материалы по комплексной оценке поведения меди и никеля в подзолистых Al-Fe-гумусовых почвах фоновых территорий и в условиях промышленного воздушного загрязнения были использованы при формировании сети станций для мониторинга лесных экосистем Кольского полуострова и северной Финляндии (Лапландии). Результаты исследований послужили основой для оценки состояния территории Кольского полуострова при строительстве III очереди Кольской АЭС и при проектировании трансконтинентального газопровода от Штокманского месторождения.

Защищаемые положения.

1. Природные и техногенно обусловленные особенности распределения меди и никеля по профилю подзолистых А1-Ре-гумусовы> почв.

2. Сезонные и парцеллярные закономерности водной внутрипрофильной миграции металлов.

3. Роль подзолистых Al-Fe-гумусовых почв как иогеохимического барьера для меди и никеля.

Апробация работы. Результаты исследований представлены и бсуждены на Symposium "Effects of air pollutants on terrestrial ecosystems in le border area between Russia and Norway" (Svanvik, Norway, 1992, 1994), Symposium on the State of the Environmental Monitoring in Northern ennoscandia and the Kola Peninsula" (Rovaniemi, Finland, 1992), the itemational Woricshop: Aerial pollution in Kola Peninsula (St.-Petersburg, 992), V Сибирцевские чтения (Архангельск, 1995), "Антропогенное зменение почв Севера в индустриально развитых регионах" (Апатиты,

995), "Загрязнение водосборных бассейнов в Арктике" (Санкт-Петербург,

996), "Экологические проблемы Севера Европейской территории России" Апатиты, 1996).

Публикации. Результаты исследований отражены в 8 публикациях. Объем. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, писка литературы го 224 наименовании, в том числе 101- иностранное. Ее бъем 181 стр.

Автор искренне благодарит научного руководителя, д.б.н. Гиконова В.В. за постоянную помощь в работе, д.б.н. Лукину Н.В за ;енные советы и замечания, коллектив лаборатории экологии наземных косистем ИПЭС за помощь в проведении исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Современное состояние изученности поведения меди и никеля в природных средах

Закономерности поведения микроэлементов и их роли в наземных косистемах всесторонне обсуждены в монографиях и капитальных сводках }.А.Ковды и др. (1959), В.В.Ковальского (1970, 1974, 1982), В.В. Добровольского (1983), А.Кабата-Пендаас, Х.Пендаас (1989). Активизация •акого рода работ - объективная тенденция, связанная с меняющимися в госледцие десятилетия факторами среды обитания человека. Часто :онцентрации микроэлементов не локализованы строго вокруг источника, I их ореол рассеяния составляет десятки и сотни километров. Кроме того, >азница между необходимым количеством микроэлементов для живых >рганизмов, приспособившихся к содержанию элемента, и токсическим фовнем очень мала, часто условна.

Множество работ посвящено миграции микроэлементов в 1Тмосфере, воздействию на биоту, накоплению и перераспределению

почвенным покровом, биологической миграции. Существует два основньо источника поступления никеля и меди в экосистемы - атмосфера i, почвообразующие породы. Поступление никеля и меди в атмосферу може! осуществляться за счет ветровой эрозии горных пород и почв вулканической деятельности, лесных пожаров, диспергирования морской воды, а также некоторых биологических процессов (Яценко-Хмелевская i; др., 1994). Если раньше пыль рассматривалась как основной источши поступления тяжелых металлов в воздух, то в настоящее время мнопк исследователи отдают приоритет биологическим процессам (Nriagu, 1989 Jawarowsky et al., 1981; Heidam, 1986).

В геохимической классификации элементов по особенносп миграции в ланддшфтах медь и никель занимают положение в групгк элементов, подвижных и слабоподвижных в окислительной и глеево! обстановках и инертных в восстановительной сероводородной обстановю (Перельман, 1975). Они хорошо мигрируют в кислых водах и осаждаютсз на щелочном барьере, причем для меди биогенное накопление имеет] существенную роль, определяющую поведение элемента (Иванов, 1950 Глазовская, 1965). Характерной особенностью поведения растворимой меда в водных системах является высокая степень ее закомплексованности < органическим веществом, часто превышающая 90% валового ее содержать (Линник, Набиванец, 1986). Ионы никеля (II) менее прочно связываютс! водным гумусом, чем медь (II), цинк (II), кобальт (II) (Pauli 1975; Rashid Leonard, 1973). При изучении гуматных и фульватных комплексов меда установлено, что по прочности этих комплексов медь занимает втора место после ртути (Mantoura et al., 1978).

Ландщафгао-геохимические особенности распределения меди i никеля в почвах и породах лесной зоны Кольского полуостров; рассмотрены В.В. Добровольским (1963, 1966, 1972) и Л.В.Алещукиньп (1964, 1968, 1972). Они установили, что основная концентрация меди i никеля приурочена чаще всего к подстилке подзолистых Al-Fe-гумусовы: почв. Ряд работ посвящен распределению меди и никеля в почвах этог< региона, подверженных аэротехногенному загрязнению (Цончева, 197Е Евдокимова и др., 1984; Карабань и др., 1985; Лесные экосистемы i атмосферное загрязнение, 1990; Кашулина, 1993 и др.). Авторы отмечаю значительное накопление металлов в горизонтах лесной подстилю минеральных почв и верхних горизонтах органогенных почт Рассматриваются особенности атмосферной миграции меди и никеля ] условиях локального и регионального уровней загрязнения территори! Кольского полуострова (Крючков, Макарова, 1989).

Обширные данные по содержанию меди и никеля в растения Мурманской области приводятся в работах МЛ. Раменской (1974 И.ВЛянгузовой (1991), Н.ВЛукиной и В.В.Никонова (1993, 1994, 1995 Выявлена зависимость микроэлементного состава растений о

;охимических особенностей района, а также способность различных видов групп растений аккумулировать металлы в условиях промышленного эздушного загрязнения. Для меди и никеля выявлены высокие значения ээффициентов биологического поглощения (Алещукин, 1967).

Анализ вышеизложенного позволяет заключить о глесообразности биогеоценотического подхода для формирования редставлений об особенностях распределения и поведения меди и никеля в одзолистых А1-Ре-гумусовых почвах северной тайги в природных ¡юновых) условиях и при воздушном загрязнении. Такой подход редполагает всестороннюю оценку поведения этих металлов в почве как омпоненте лесного БГЦ с учетом поступления их из атмосферы, ерераспределения потока растительным пологом, поглощения астениями, внутргаючвенной миграции, формирования педогенных и итогенных барьеров.

2. Объекты и методы исследований

Детальные исследования распределения и поведения никеля и [еди в подзолистых А1-Ре-гумусовых почвах северной тайги проводили период 1991-1995 гг. Объектами исследований послужили ;оминирующие на Кольском Севере сосновые БГЦ в естественных словиях и в условиях промышленного воздушного загрязнения рупнейшими на Севере медао-никелевыми комбинатами Североникель" (Мончегорский градиент) и "Печенганикель" Никельский градиент). Длительный полевой эксперимент »существляли на сети постоянных мониторинговых площадей, »неположенных на различном удалении от источников загрязнения: 9 фобных площадей - Мончегорский градиент и 5 - Никельский радиент. Регулярный отбор почвенных и растительных образцов, пгмосферных выпадений и почвенных вод проводили в двух типах трцелл: сосновой и лишайниковой. БГЦ были типизированы в ¡ависимости от состояния (стадии техногенной трансформации): фон, 1ефолиирующие, техногенные редколесья, техногенные пустоши Лукина, Никонов, 1993).

Химический анализ почв на содержание различных форм соединений шементов проводили в соответствии с общеприняты™ методиками 'Аринушкина, 1970; Пономарева, Плотникова, 1975) и методами, тредложенными О.На1опеп, Н.Ти1Ш, I. Оеготе (1983). Концентрацию металлов в атмосферных осадках, почвенных водах, почвах, растениях эпределяли методами атомно-абсорбционной спектрофотометрии и эмиссионного спектрального анализа с использованием в качестве источника возбуждения индуктивно связанной плазмы; БСЬ - методом

ионной хроматографии. Методы химического анализа почв, растений, атмосферных и почвенных вод прошли международную верификацию. Поглотительную емкость почв в эксперименте характеризовали на основе изотерм сорбции металлов.

Для статистической обработки материала использовали пакеты программ "STATGRAPHICS" и Microsoft Excel 5.0.

3. Профильное распределение меди и никеля

В фоновых районах распределение меди по профилю подзолистых Al-Fe- гумусовых почв носит бимодальный характер с максимумами в органогенном и иллювиальном горизонтах; никель монотонно распределен по профилю. Достоверные парцеллярные различия в распределении меди и никеля (как валовых, так и подвижных их форм) не выявлены.

В почвах Б ГЦ дефолиирующих типов состояния, а также техногенных редколесий и пустошей наблюдается значительная аккумуляция соединении металлов в органогенных горизонтах (до 3 г/кг никеля и до 1,5 г/кг меда). Выявлены межпарцеллярные различия в накоплении меда и никеля в профиле почв в дефолиированных типах состояния и в условиях техногенных ред колесий и пустошей (Мончегорский храдаент). Подстилки лишайниковых парцелл вследствие разрушения и следовательно, низкого содержания углерода (1,2 %) накапливают 0.4 мг/кт и 0.5 мг/кг меда и никеля соответственно, что в 6-7 раз меньше, чем накапливают подстилки сосновых парцелл. Эти закономерности сохраняются и при распределении подвижных (доступных для растений обменных, водорастворимых) форм. Доступные для растений соединенш металлов, а также обменные и водорастворимые формы в почвах каа фоновых территорий, так и в условиях техногенного загрязнении аккумулируются в органогенных горизонтах. В фоновых района) количество меди и никеля, обменно поглощенных поверхностью почв, ш превышает 0.2% от реальной ЕКО.

В почвах БГЦ техногенных редколесий и пустошей происходит резкое увеличение (до 20-25%) доли доступных для растений соединенш меди и никеля от валового содержания. Здесь доля обменных форм меда i никеля достигает 10 % от реальной ЕКО (рис. 1). Правомернс предположить вероятность замещения в почвенном поглощающел комплексе основных катионов катионами тяжелых металлов (рис. 2) Содержание водорастворимых форм меда и никеля относительно и: валового содержания осталось на уровне фонового.

1С. 1. Доля обменных соединений меди и никеля в горизонтах подстилки от реальной емкости катионного обмена.

Си мг/кг

600 ■ ^ = 0.271 п=85

400 - ♦ ♦

200 -

0 - ♦ ♦ ♦ V* « ♦ Са-мг'кг

0 1000 2000 3000 4000

Си, мг/кг

600 - = 0.290

п=85

♦

400 - ♦ «

•

► ♦

200 - К

<

V/ ♦ ♦ Мд, мг/кг

0 --с 200 400 600 800

Рис. 2. Взаимосвязи между концентрациями обменных соединений меди и основных катионов в органогенных горизонтах почв.

4. Водная внутрипрофильная миграция меди и никеля

Концентрация меди в атмосферных выпадениях фоновых территорий изменялась в зависимости от парцеллярной структуры в пределах 0.006-0.011мг/л, никеля - 0.003-0.01 мг/л (рис. 3). Выявлена роль древесного полога б перераспределении меди и никеля, поступающих с атмосферных выпадениях. Концентрация металлов закономерно уменьшается от подкронового пространства к открытому. Годовое поступление меди в сосновые БПД фоновых районов в зависимости от парцеллярной структуры составило - 4.0 - 4.4 мг/м2, никеля - 2.3 - 3.2 мг/м2. Размеры выноса этих элементов за пределы профиля сопоставимы с уровнем выпадения.

В пределах органогенных горизонтов подзолистых Al-Fe-гумусовых почв миграция никеля и меди может осуществляться е комплексах с водорастворимым органическим веществом и сульфат-ионами, в минеральном профиле почв - в комплексе с сульфат-ионами Выявлена тесная зависимость концентрации водорастворимы? соединений никеля и меди в подстилочных водах от их кислотности (рис. 4). Диапазон значений рН, в котором резко возрастает подвижность обоих металлов - 3.7- 4.0.

Годовое выпадение металлов в дефолиирующих типах состоянш в зависимости от парцеллярной структуры составило никеля - 9-12 мг/м: и меди - 28-30 мг/м2, в состоянии редколесий и пустошей достигалс никеля - 43-64 мг/м2, меди - 177-192 мг/м2. Максимальным» концентрациями металлов в атмосферных осадках и лизиметрически) водах в дефолиирующих типах состояний и в условиях техногенные редколесий и пустошей отличается позднеосенний период. В БГи дефолиирующих типов состояния сохраняется роль древесного полога i перераспределении меди и никеля в атмосферных осадках, в БП_ техногенных редколесий и пустошей в связи с гибелью растительности эта роль утрачивается.

Количество выпадений (мг/м2) в подкроновом пространств! уступает таковым на открытом месте, что связано с задержанием влап кронами. Установлены межпарцеллярные различия в выносе меди i никеля за пределы органогенного горизонта в период вегетации i позднеосенний: в лишайниковых парцеллах размеры выноса h¡ порядок выше, чем в сосновых. Сосновые БПД дефолиирующих типов i техногенных редколесий остаются активным биогеохимическш барьером для соединений тяжелых металлов, особенно меди.

0,9 0,6 0,3

, N1

ГГ = 0,821 п=94

=1-Ей

Рассто^ие, км

90

120

0,5

, Си

Р? = 0,814 п=94

-л-

30 Рассто^Яив, км 90

120

Рис.3. Концентрация никеля и меди в дождевых водах.

0,1

0,05

0,1

мг/л

0,05 -

си!

= 0,195 | п=86 I

"•I, • < ____

—(—■—®» «-1-85----

1 я Рн

1

0

Рис. 4. Зависимость содержания никеля и меди в подстилочных водах фоновых БГЦ от их кислотности.

5. Медь и никель в органическом веществе почв

Органическое вещество в значительной мере определяв распределение меди и никеля по профилю почв. Наиболышн содержанием органического вещества отличаются горизонты под стилю подзолистых Al-Fe-гумусовых почв, где накапливается и разлагаете основная часть растительного опада. В этих горизонтах почв фоново] территории содержание углерода колебалось от 17% в лишайниковы до 35% в сосновых парцеллах. Органогенные горизонты почв фоновы районов имеют фульватпьш и фульвашо-гуматный тип гумуса иллювиальные - фульватный (СпеСфк > 0.5). Негидролизуемая част органического вещества в обоих горизонтах не превышает половиш общего его содержания. В условиях воздушного загрязнения техногенных пустошах этот показатель падает до 6% в лишайниковы парцеллах и до 24% - в сосновых. Соотношение Спс:Сфк достигает 1.2 1.6, т.е. гумус становится фульватно-гуматным. Общее содержани углерода в органогенных горизонтах почв пустошей падает до 1.2%.

По градиенту загрязнения от фоновых районов к источник выбросов происходит перераспределение металлов по группа] гумусовых кислот в органогенных горизонтах почв: количеств металлов, связанных во фракциях 1ГК и 1а ФК в фоновых района: сопоставимы. В условиях загрязнения значительная часть металло связана с фракцией 1аФК: Си- до 95% , Ni- 75% (рис. 5).

Одной из причин, объясняющих увеличение подвижности мед и никеля в условиях промышленного воздушного загрязнения п профилю подзолистых Al-Fe-гумусовых почв, является связываш металлов в соединения с фульвокислотами, усиливающее их миграцию

6. Поглотительная способность почв по отношению к меди и никелю

Почвы активно поглощают микроэлементы и поэтому играк важную роль в круговороте последних. Процессы адсорбци химических элементов из растворов на поверхности почвенных части включают множество мономолекулярных взаимодействий: noi дипольные взаимодействия, силы Ван-дер-Ваальса, перенос заряда и д] (Орлов, 1985). Катионы могут сорбироваться как посредство специфической сорбции, когда в процессе задействованы химичеекг связи, так и неспецифической адсорбции, когда она осуществляет« посредством реакций ионного обмена (Tiller, Мелу, 1987). Количестт поглощенного поверхностью почвы вещества возрастает с увеличение

АО, сосновая

Расстояние, км

ВР^а, сосновая

%

О 30 60 90 120 Расстояние, км

Рис. 5. Парцеллярные особенности распределение меди и никеля во фракции 1а ФК, % от общего содержания металлов в органическом веществе почв

концентрации раствора и уменьшением его кислотности. При более высоких значениях рН преобладают отрицательно заряженные поверхности, поэтому катионы, находящиеся в растворе нейтрализуют их.

В условиях эксперимента установлено, что при кислотности растворов, контактирующих с почвой, соответствующих кислотности атмосферных осадков в природных (фоновых) условиях (рН=5), органогенные горизонты не теряют поглотительной емкости к меди и никелю в течение эксперимента, симулирующего годовую норму осадков, продолжают насыщаться этими элементами (рис. 6). Органогенные горизонты (АО) не изменили количества поглощенных металлов при снижении рН от 5 до 4. При дальнейшем снижении кислотности до рН=3 выявились тенденции в избирательном поглощении металлов, количество поглощенного никеля снизилось до 30%, тогда как закрепление меди твердыми фазами органогенных горизонтов почв осталось на уровне 80%.

В минеральных горизонтах поглощение меди и никеля последовательно снижалось при увеличении кислотной нагрузки. В иллювиальном горизонте металлы наиболее активно закреплялись в составе твердых фаз, что связано с его обогащенностъю органическим веществом и полуторными оксидами. Установлено, что самой низкой поглотительной емкостью обладал элювиальный горизонт из-за сильной выветрелости, отмытоста минеральных частиц и бедности органическим веществом.

Изотермы сорбции, полученные для органогеннных и минеральных горизонтов подзолистых А1-Ре-гумусовых почв, удовлетворительно описываются уравнениями мономолекулярной адсорбции Лэнгмюра. Изотермы сорбции меди и никеля минеральными горизонтами (А2, ВЫа, ВС, С) имеют С-тип, кроме случая с рН=3. Изотермы сорбции меди органогенными горизонтами имеют С-тип, никеля - С-тип при рН=5 и 4, Ь-тип при рН=3.

При возрастании кислотности, значения адсорбционного максимума и энергии закрепления металлов минеральными горизонтами почв закономерно снижаются. Энергия закрепления металлов поверхностью органогенных горизонтов почв увеличивалась с усилением кислотности растворов, тогда как показатели адсорбционного максимума снижались.

А.

100

№

- - -лишаи-никовая -сосновая

н рн 5

В.

Рис. 6. Влияние кислотности растворов на поглощение никеля и меди органогенными (А) и минеральными (В) горизонтами почв.

4

Рис. 7 Концентрация меди и никеля в хвое сосны текущего года.

7. Поглощение меди и никеля лесными растениями

В фоновых условиях максимальное содержание металлов отмечается в семенах сосны, минимальное - в древесине. В хвое аккумулируется до 3 мг/кт меди и 2 мг/кг никеля. Обнаружены более высокие содержания меди в хвое текущего года, что свидетельствует об активном участии элемента в процессах роста растения. Максимальное содержание металлов в хвое текущего года отмечается в период наиболее активного роста - в июле.

Ассимилирующие органы сосны в условиях техногенного загрязнения обогащаются соединениями тяжелых металлов: концентрации меди и никеля возрастают до 10 и 13 мг/кг в дефолиирующих лесах и достигают в техногенных редколесьях 350 и 600 мг/кг соответственно (рис. 7.). С возрастом накопление меди и никеля в хвое увеличивается. Минимальными концентрациями тяжелых металлов характеризуется хвоя сосны наиболее активного периода роста, что отражает наличие адаптационных механизмов растения. Многолетние органы демонстрируют различные уровни накопления металлов: максимальные концентрации наблюдаются в коре, минимальные - в древесине ствола.

Сравнительная оценка уровней накопления металлов в доминирующих видах растений напочвенного покрова сосновых фитоценозов выявила наиболее активных концентраторов элементов-загрязнителей. Наивысшей аккумуляцией металлов отличается вороника, в листьях которой содержание меди достигает 0.75 г/кг, никеля- 1.25 г/кг.

Выявлены различия в накоплении меда и никеля в фоновых районах и в условиях загрязнения. Соотношение металлов в ассимилирующих органах сосны и доминирующих видов растений напочвенного покрова меняется от преобладания меди над никелем к противоположным тенденциям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время активное вовлечение меди и никеля в биогеохимический круговорот привело к возрастанию локальных, региональных и глобальных фоновых концентраций этих элементов в природных средах. Кольский полуостров - наиболее индустриально развитый регион Субарктики. Специфика биогеохимических циклов

икеля и меди в лесных БГЦ этого региона определяется, с одной гороны, экстремальными природными условиями, с другой, родолжительным и интенсивным химическим загрязнением.

Природные концентрации меди и никеля в подзолистых А1-Ре-умусовых почвах сосновых БГЦ Кольского полуострова составляют 30-60 г/кг. Распределение меда по профилю этих почв носит бимодальный арактер с максимумами в органогеннном и иллювиальном горизонтах; икель распределен по профилю более монотонно.

В условиях длительного (60 лет) воздушного промышленного агрязнения верхний органогенный горизонт подзолистых А1-Ре-гумусовых очв проявляет себя как биогеохимический барьер для меди и никеля, в ределах БГЦ резко уменьшая интенсивность нисходящей миграции оединений этих металлов. В БГЦ формируются техногенные :едо химические аномалии меди и никеля, пространственно ограниченные оризонтом подстилки. Органогенные почвенные структуры способны ккумулировать значительные запасы этих металлов (меда > 1,5 г/кг, икеля > 3,0 г/кг почвы), сохраняя высокие поглотительные свойства. В [астоящее время только в период вегетации подстилки могут ккумулироватъ до 20 мг/кг никеля и до 110 мг/кг меди. В почвах парцелл с югабшей растительностью и разрушенным органогенным горизонтом ьгражекы тенденции обогащения минерального профиля.

Выявленные межпарцеллярные различия в миграции и аккумуляции 1еда и никеля обусловлены средообразующей ролью эдификатора ¡яггоценозов - сосны. Почвы древесных парцелл характеризуются более снтенсивным потоком этих металлов. В условиях промышленного воздушного загрязнения парцеллярные особенности миграции и ижумуляции соединений меди и никеля проявляются наиболее ярко. В ЗГЦ техногенных редколесий и пустота! органогенные горизонты почв пипайниковых парцелл содержат 0, 4 г/кг меда и 0, 5 г/кг никеля, что в 6-7 >аз меньше, чем подстилки сосновых парцелл. Это связано с гибелью аппайников и уменьшением содержания органического вещества.

Органическое вещество почв является важным фактором шграции и аккумуляции никеля и меди в лесном БГЦ. По градиенту (агрязнения происходит перераспределение металлов по группам умусовых кислот: металлы, связанные в почвах фоновых районов во }>ракциях 1ГК и 1аФК в сопоставимых количествах, терераспределяются во фракцию 1аФК. Количество меди, связанной ¡гоакцией 1аФК, достигает 95% от содержания в оргашгтеском зеществе, никеля - 75%.

Максимальные концентрации водорастворимых, обменных (Ш ЗаСЬ), доступных для растений (1Ы СНзСООМШ) соединений металлов наблюдаются в органогенных горизонтах почв как фоновых БГЦ, так и в условиях промышленного воздушного загрязнения. В почвах фоновых

Б ГЦ содержание экстрагируемых ацетатно-аммонийной вытяжкой металлов не превышало 5 % от их валового содержания, а количество меди и никеля, обменно поглощенных поверхностью почв, не превышает 0.2% от ЕКО. В почвах нарушенных Б ГЦ происходит резкое увеличение доли экстрагируемых форм металлов: доступных для растений - до 20-25%, обменных - до 7 % от реальной ЕКО, что может свидетельствовать о возможном замещении в почвенном поглощающем комплексе основных катионов, доля которых резко снижается, катионами меди и никеля.

Для всесторонней оценки поведения меди и никеля в почве как компоненте БГЦ Севера необходимо изучение их атмосферной миграции, перераспределения атмосферного потока растительным пологом, водной внутрипочвенной миграции, поглощения растениями.

Концентрация меди и никеля в атмосферных выпадениях сосновых БГЦ фоновых районов Кольского полуострова изменялась в пределах 0.006-0.011 мг/л и 0.003-0.01 мг/л соответственно, что сопоставимо с концентрациями этих элементов в атмосферных выпадениях северной Финляндии (Лапландии) - наиболее чистого района Европы. Максимальные концентрации элементов наблюдаются в позднеосенний период (октябрь).

Древесный полог является фактором, определяющим перераспределение атмосферных потоков меди и никеля в сосновых БГЦ: концентрация металлов в атмосферных выпадениях закономерно уменьшалась от подкронового пространства к открытому, что связано с активным вымыванием элементов из крон. В дефолиирующих лесах концентрация меди и никеля в атмосферных осадках превышает фоновые на порядок, роль древесного полога в перераспределении металлов сохраняется; в техногенных редколесьях концентрация металлов увеличивается в сотни раз, роль древесного полога во внутрибиогеоценотическом их перераспределении существенно снижается в связи с его разрушением.

Природные концентрации металлов в подстилочных водах сопоставимы с их концентрациями в атмосферных осадках. Максимальными концентрациями металлов в почвенных водах отличается позднеосенний период. Тесные положительные связи между концентрациями никеля и меди, с одной стороны, и концентрациями сульфатов и водорастворимого углерода, с другой, позволяют предположить об их совместной внутрипочвенной миграции. Интенсивность миграции металлов в подстилочных водах определяются их кислотностью. Диапазон значений рН, в котором резко возрастает подвижность обоих металлов - 3.7-4.0. С усилением техногенной нагрузки концентрация меди и никеля в почвенных водах увеличивается.

При определении поглотительной способности подзолистых А1-7е- гумусовых почв по отношению к никелю и меди при усилении ислотной нагрузки выявлена избирательная сорбция меди »рганогенными горизонтами почв. При уровне кислотности рН=3, :оличество поглощенного никеля снизилось до 30%, тогда как акрепление меди твердыми фазами органогенных горизонтов почв »ставалось на уровне 80%. Минеральные горизонты последовательно нижали поглотительную способность по отношению к никелю и меди фи увеличении кислотной нагрузки с рН=5 до рН=3.

Особенности поведения тяжелых металлов в почвах и юступление их из атмосферы определяют поглощение этих элементов »астениями. В фоновых условиях содержание металлов в хвое сосны ^значительное: меди не превышает 3 мг/кг, никеля- 2 мг/кг. Максимальное содержание металлов в хвое текущего года отмечается в 1ериод наиболее активного роста - в июле. Выявлены более высокие »держания меди в хвое текущего года, что свидетельствует об наивном вовлечении элемента в процессы роста растений. Ассимилирующие органы сосны в условиях техногенного загрязнения )богащаются соединениями тяжелых металлов: концентрация меди достигает 350 мг/кг, никеля - 600 мг/кг. С возрастом накопление меди и шкеля в хвое увеличивается.

Сравнительная оценка уровней накопления металлов в доминирующих видах растений напочвенного покрова сосновых })Итоценозов выявила наиболее активных концентраторов элементов-¡агрязнителей. Максимальной аккумуляцией металлов отличается юроника, в листьях которой содержание меди достигает 0.75 г/кг, такеля - 1.25 г/кг.

В условиях промышленного воздушного загрязнения соединениями меди и никеля лесные Б ГЦ Севера являются Зиогеохимическим барьером для металлов, концентрируя их в органах лноголетних растений (фитогенный барьер) и верхних органогенных "оризонтах почв (педогенный барьер). Гибель растений и разрушение тодстилки ведет к потере уникального природного биогеохимического эффекта.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕШ ДИССЕРТАЦИИ

1. Nikonov V.V., Goryainova V., Lukina N.V., Motova A., Petrova N. Pollution-induced changes in the properties of forest soils in the Kola Peninsula// (Eds. E.Tikkanen, M.Varmola and T.Katerraaa). Symposium on the State of the Environmental Monitoring in Northern Fennoscandia and the

Kola Peninsula. Rovaniemi, Arctic Centre University of Lapland, 1992, pp. 220-221.

2. Никонов B.B., Лукина H.B., Дерем Д., Петрова Н.В., Горяинова В.П. Миграция и аккумуляция соединений никеля и меда в AI-Fe-гумусовых подзолистых почвах сосновых лесов (зона воздействия комбината "Североникель")// Почвоведение, 1993, 11, с. 31-41.

3. Goryainova V., Nikonov V.. The copper and nickel adsorption capacity of podzolic AI-Fe humus soils under pine // Kozlov, M.V., Haukioja, E. & Yarmishko, V.T. (Eds.) Aerial pollution in Kola Peninsula: Proceedings of the International Workshop, April 14-16, 1992, St.Petersburg. Apatity, 1993, pp. 156-158.

4. Goryainova V.& Nikonov V. Adsorption capacity of podzolic Al-Fe-humus soils under pine with respect to copper and nickel// The Lapland Forest Damage Project. Russian-Finnish cooperation report. John Derome (ed.). The Finnish Forest Research Institute, Rovaniemi Research Station, Rovaniemi, 1993, pp.94-97.

5. Nikonov V.V., Lukina N.V., Derome D., Petrova N., Goryainova V.P. Migration of nickel and copper compounds and their accumulation in Al-Fe-humus podzolic soils under pine forests in the zone of influence of the Severonickel smelter // Eurasian Soil Science, 1994, 26/2, p. 10-23.

6. Горяинова В.П. Взаимодействие органического вещества и тяжелых металлов в подзолистых Al-Fe-гумусовых почвах сосновых лесов Кольского полуострова // Антропогенное изменение почв Севера в индустриально развитых регионах. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 1995, с. 47-48.

7. Горяинова В.П. Природные особенности распределения и миграции никеля и меди в подзолистых Al-Fe-гумусовых почвах Кольского полуострова // V Сибирцевские чтения. Архангельск, 22-24 марта 1995 г. (Тез. докл.). Архангельск, 1995, с. 21.

8. Горяинова В.П. Миграция меди и никеля на водораздельных территориях Кольского полуострова в условиях аэротехногенного загрязнения // Экологические проблемы Севера Европейской территории России. (Тез. докл. Всероссийского совещания). Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 1996, с. 148-149.

Автореферат

ГОРЯИНОВА Валерия Павловна

МЕДЬ И НИКЕЛЬ В ПОДЗОЛИСТЫХ АШ-ГУМУСОВЫХ ПОЧВАХ СЕВЕРНОЙ ТАЙГИ В УСЛОВИЯХ ПРОМЫШЛЕННОГО ВОЗДУШНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Технический редактор В.А.Ганичев

Лицензия ПЛД № 54-12 от 18 анкета 1995г.

Подписано к печати 06.06.96.

Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл.печ.л. 1.2. Уч.-изд.л. 1.. Усл.краско-от. 1.2. Заказ № 49. Тираж 100 экз.

Ордена Ленина Кольский научный центр им.С.М.Кирова РАН 184200, Апатиты, Мурманская область, Ферсмана, 14