CC BY
42
УДК 630*581.192:630*425
ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ СОСНОВЫХ ЛЕСОВ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ МЕДНО-НИКЕЛЕВЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ ПРИ УМЕНЬШЕНИИ ЭМИССИОННОЙ НАГРУЗКИ
© 2013 Т А. Сухарева
Институт проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН, г. Апатиты
Поступила в редакцию 25.05.2013
Выполнен анализ долговременных (1991-2011 гг.) изменений минерального состава растений, лишайников, почвы сосновых лесов Кольского полуострова в зоне воздействия горно-металлургических предприятий. Показано, что содержание поллютантов в почвенно-растительном покрове остаются высокими, несмотря на снижение уровня атмосферных выбросов. Наиболее чувствительными к техногенному воздействию оказываются зеленые мхи и лишайники.
Ключевые слова: сосновые леса, атмосферное загрязнение, Кольский полуостров, почва, растения, лишайники, элементный состав
Оценка состояния лесных экосистем и разработка критериев и методов этой оценки остаётся важной проблемой экологии. Поступление промышленных эмиссий в атмосферу является мощным фактором, определяющим состояние лесных биогеоценозов. Изучение воздействия воздушного загрязнения на наземные экосистемы имеет особое значение для Мурманской области, где основными источниками загрязнения являются предприятия горно-металлургического комплекса. Продолжительное действие медно-никелевого производства в регионе привело к трансформации лесных растительных сообществ на значительных территориях. Площади зоны дигрессии с глубокими нарушениями состава и структуры лесных экосистем составляют 1200 км2 в окрестностях комбината «Североникель» (г. Мончегорск) и 500 км2 - комбината «Печен-ганикель» (п. Никель). На площади около 39 000 км2 (около 40% лесной территории области) обнаруживаются визуальные признаки повреждения лесов [4]. В последние два десятилетия сократилось поступление сернистого газа в атмосферу. По данным управления по экологическому мониторингу и охране окружающей среды ОАО «Кольская ГМК», годовые объёмы выбросов SO2 комбинатом «Североникель» снижались от 195,7 тыс.т. в 1991 г. до 33,5 тыс.т. в 2009 г., никеля - от 2,7 до 0,4 тыс.т., меди - от 1,7 до 0,4 тыс. тонн соответственно. Годовые объёмы выбросов SO2 комбината «Печенганикель» снижались от 257,5 тыс.т. в 1991 г. до 102,7 тыс.т. в
Сухарева Татьяна Алексеевна, кандидат биологических наук, научный сотрудник. E-mail: [email protected]
2009 г., объёмы выбросов Ni и Cu за исследуемый период практически не изменились и остаются высокими - 0,3 и 0,2 тыс. тонн соответственно. Долговременное техногенное воздействие привело к значительным нарушениям функционирования лесных экосистем, в том числе минерального питания растений и почвы. В последние два десятилетия выбросы загрязняющих веществ существенно сократились, поэтому представляется актуальным оценить состояние различных компонентов лесных биогеоценозов в ответ на снижение эмиссионной нагрузки.
Цель исследования: изучение динамики элементного состава растений, лишайников и почвы в сосновых лесах Кольского полуострова на основе данных многолетнего мониторинга, проводимого в зоне воздействия медно-никеле-вых предприятий региона.
Объекты и методы. Исследования осуществлялись в сосняках кустарничково-лишайни-ковых и кустарничковых, которые формируются в сходных природных условиях, но испытывают разные техногенные нагрузки. В соответствии с уровнем загрязнения и состоянием растительности на территориях, подверженных воздействию промышленных эмиссий, выделены следующие основные стадии дигрессии лесных экосистем: фоновые леса, дефолиирующие леса и техногенные редколесья [1]. Обследованы постоянные пробные площади по градиенту промышленного загрязнения в сосновых лесах, соответствующих основным стадиям техногенной дигрессии, в районе комбинатов «Североникель» (8, 31 и 270 км) и «Печенганикель» (5, 14, 44 км). Объектами исследования послужили: сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.), черника (Vaccinium myrtillus
Ь), брусника (Vaccinium vitis-idaea К), вороника (Empetrum hermaphroditum Hagerup.), лишайники (Cladonia stellaris (Opiz) Pouzar et Vëzd.) и зелёные мхи (Pleurozium schreberi (В1М) и Hylocomium splendens (Hedw.). Образцы отбирались на каждой площадке в 5-ти кратной по-вторности: хвоя сосны - из верхней трети кроны, листья черники, брусники, вороники, зелёные мхи, а также талломы лишайников - в межкроновых пространствах, почвенные образцы - под кроной сосны. В лабораторных условиях хвою, листья брусники и вороники, зелёные мхи разбирали по возрастным классам. В статье представлены результаты химического анализа листьев (хвои) текущего года. Проведено изучение доступных для растений соединений элементов в органогенном горизонте Al-Fe-подзолистых
Результаты и обсуждение. Воздействие на лесные экосистемы газовоздушных выбросов промышленных предприятий вызывает ряд сходных изменений в элементном составе различных видов растений и лишайников. Наблюдается многократное возрастание поллютантов в
почв. Почвенные образцы экстрагировали 1 М CH3COONH4 (pH=4.65). Использовали соотношение почвы и вытеснителя 1:25. Растительные образцы подвергались мокрому озолению концентрированной HNO3. Металлы (Ca, Mg, Fe, Mn, Cu, Ni, Zn) в образцах определяли методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии, K -атомно-эмиссионной спектрометрии на спектрофотометре атомно-абсорбционном AAS-360, P - фотоколориметрическим методом по интенсивности окраски фосфорно-молибденового комплекса (метод Лоури-Лопеса), S - турбиди-метрическим методом на фотометре КФК-3. Для статистической обработки экспериментальных использовали пакеты программ "STATISTICA 6.0" и Microsoft Excel 6.0.
ассимилирующих органах и обеднение их многими важнейшими для функционирования элементами. Наибольшую чувствительность к атмосферному воздействию демонстрируют лишайники, в талломах которых обнаруживаются высокие концентрации №, Fe (табл. 1, 2), а
Таблица 1. Динамика элементного состава лишайников и листьев (хвои) растений и в районе воздействия комбината «Североникель», мг кг-1 абс. сухого вещества
Объект Год Ca K P Mg Mn S Al Fe Zn Cu Ni
исследо-
вания
фон (270 км от комбината)
сосна 1991 1596 5264 1559 1205 373 608 174 34 41 4 3
2007 1577 5576 1508 977 365 628 149 22 32 2 1
черника 2007 8601 6534 1526 2489 1301 1151 177 71 15 4 2
брусника 2007 4654 4169 1101 1349 864 949 56 25 23 5 1
вороника 2007 5856 5985 1448 1733 351 1033 36 41 18 7 2
2011 5084 6562 1586 1860 332 1493 55 51 18 7 5
лишайник 2007 393 393 379 183 76 224 111 125 11 2 1
дефолиирующие леса (31 км от комбината)
сосна 1991 3293 7208 1691 1148 448 1103 281 51 37 16 24
2007 1409 6886 1511 918 429 805 150 23 28 10 22
черника 1993 10161 8937 1369 2038 2607 1608 121 41 7 13 23
2007 9152 5377 1572 1992 2338 1746 160 45 12 9 28
брусника 1993 7759 6793 727 16141 1094 1286 152 25 15 10 19
2007 5296 3461 1004 1410 984 1787 33 17 13 5 13
2011 5882 4859 1266 1291 1059 1874 67 28 15 5 8
вороника 1993 6721 5009 698 1126 404 964 136 178 8 67 57
2007 4934 6020 1423 1355 183 1138 20 31 12 7 15
2011 5089 6178 1266 1164 233 1071 44 36 11 6 11
лишайник 2007 433 1294 559 169 89 221 192 154 20 33 93
2011 800 1338 528 175 34 407 207 191 14 36 70
техногенные редколесья (8 км от комбината)
сосна 1991 2910 7067 1791 983 306 1670 221 81 20 69 101
2007 2095 7038 1576 880 214 785 188 35 19 28 59
черника 1993 8248 13012 1376 917 2457 1531 136 120 7 65 144
2007 7332 7734 1351 897 1380 1477 176 92 11 49 177
брусника 1993 6950 6469 822 1438 579 1278 121 46 15 32 63
2007 5046 4149 984 1028 743 1079 62 38 21 10 42
2011 5449 3586 702 1015 788 1583 112 39 17 14 58
вороника 1993 5889 5192 468 1066 191 881 434 78 13 62 97
2007 5129 6566 1392 1086 65 1049 13 41 10 13 53
2011 4742 6283 1255 1018 125 806 43 40 8 16 46
на стадии техногенного редколесья исследуемый вид Cladonia stellaris отсутствует. Следует отметить, что степень аккумуляции тяжёлых металлов лишайниками гораздо выше, чем у хвойных деревьев и кустарничков. Содержание никеля и меди в лишайниках в 3-8 раз выше, чем в листьях сосудистых растений [3]. Зелёные мхи, как и лишайники, в большом количестве накапливают тяжёлые металлы. В условиях загрязнения содержание никеля и меди во мхах многократно превышают фоновые значения. Высокая аккумулирующая способность мхов связана с тем, что на поверхности этих растений может происходить катионный обмен: основные катионы, входящие в состав зелёных мхов, могут обмениваться на катионы тяжёлых металлов, т.е. мхи действуют подобно искусственным ионообмен-никам [5]. Содержание железа в образцах мха,
Снижение объемов выбросов загрязняющих веществ комбинатом «Североникель» за период 1991-2011 гг. обусловило уменьшение содержания основных элементов-загрязнителей в фотосинтезирующем аппарате сосны. В дефо-лиирующих лесах снизилась концентрация меди в хвое, а никеля изменилась незначительно и в некоторых случаях осталась сопоставимой к уровню 1991 г. В техногенных редколесьях содержания тяжёлых металлов снизились более значительно. За исследуемый период в дефолии-рующих лесах и техногенных редколесьях обнаружено снижение содержания железа в сосны в 2-4 раза, что также обусловлено сокращением объемов выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Изменение уровня эмиссионной нагрузки на лесные фитоценозы за период
отобранных в зоне воздействия комбината, также значительно превышает фоновые показатели (табл. 2), а концентрация серы возрастает 1,5-2 раза. Содержание других элементов питания (Ca, ^ Mg, Zn) в зелёных мхах вблизи источника загрязнения также выше, чем на фоновой территории. Известно, что основными механизмами поглощения зелёными мхами минеральных элементов из окружающей среды являются улавливание взвешенных в атмосфере частиц с обменом ионов внутриклеточным поглощением, как и у лишайников, а также поглощение минеральных элементов из субстрата с помощью ризоидов [2]. Из кустарничков наиболее чувствительной к атмосферному воздействию оказалась черника, в листьях которой на стадии техногенного редколесья отмечены самые высокие концентрации поллютантов - №, Fe (табл. 1).
исследования привело к уменьшению в хвое элементов-загрязнителей за счёт уменьшения вклада фолиарного поглощения, но в отношении важнейших биогенных элементов позитивной динамики не обнаружено. В дефолиирующих лесах хвоя сосны обедняется Ca, ^ Mg, Al и Zn, в техногенном редколесье - Ca, Mg, Al (табл. 1). Содержания тяжёлых металлов в хвое сосны в районе комбината «Печенганикель» остаются весьма высокими. За исследуемый период (19912011 гг.) на расстоянии 5 км концентрации никеля и железа в хвое сосны возросли. На более удаленных от комбината пробных площадях (14 км) концентрация меди и никеля в хвое сопоставима с уровнем 1991 г., а содержание железа сократилось в 2-6 раза. На условно-фоновой территории (44 км) содержание меди в хвое осталось
Таблица 2. Динамика элементного состава лишайников и листьев (хвои) растений в районе воздействия комбината «Печенганикель» мг кг-1 абс. сух. вещества
Объект исследования Год Ca K P Mg Mn S Al Fe Zn Cu Ni
фон (44 км от комбината)
сосна 1991 1577 4078 н.о. 813 478 н.о 203 29 35 4 6
2011 2460 4796 1713 1345 482 1020 234 46 42 5 11
лишайник 1991 160 481 н.о. 155 34 н.о. 141 242 10 18 20
2011 393 1340 542 222 57 798 77 217 12 18 24
зеленые мхи 1991 2340 5588 н.о. 1097 255 н.о. 194 375 21 22 34
2011 2719 5707 1412 1204 501 1159 210 103 28 21 33
дефолиирующие леса (14 км от комбината)
сосна 1991 1685 6394 н.о. 901 101 н.о. 171 158 31 18 31
2011 2696 5666 2172 1326 623 1443 404 83 38 20 31
лишайник 1991 116 1223 н.о. 495 16 н.о. 486 1180 30 62 69
2011 346 1840 790 315 51 893 146 974 25 147 178
зеленые мхи 1991 5517 6891 н.о. 1572 280 н.о. 753 2924 37 97 138
2011 4817 615 1032 1318 509 1265 232 985 35 182 239
техногенные редколесья (5 км от комбината)
сосна 1991 1678 7362 н.о. 838 147 н.о. 170 112 62 33 24
2011 2987 6261 1761 1276 331 1823 250 168 35 36 46
зеленые мхи 2011 4041 7015 1322 1706 367 1854 207 1929 38 315 438
Примечание: здесь и в табл. 3, н.о. - не определяли
на прежнем уровне, а никеля увеличилось почти в 2 раза (табл. 2). В 2011 гг. в хвое обнаруживаются более высокие концентрации кальция и марганца. Сосна, как известно, является пионерным видом, может поселяться на обнаженных субстратах и получать элементы питания из минеральных горизонтов. В окрестностях комбината, где формируются техногенные редколесья, почвообразующие породы, содержащие габбро и габбронориты, обогащены основными катионами. Благодаря этому сосна в окрестностях комбината существенно не обедняется основными катионами и может содержать даже повышенные по сравнению с фоном концентрации кальция [1]. Содержание калия в хвое за исследуемый период несколько снизилось, что может быть обусловлено антагонистическим взаимодействием данного элемента с кальцием.
При техногенном воздействии поглощение элементов питания растениями во многом определяется минеральным составом почвы, процессами выщелачивания химических элементов из растительных тканей кислыми осадками; фоли-арным поглощением загрязняющих веществ; антагонистическими отношениями между элементами и дисбалансом поглощения элементов из почвы. В условиях атмосферного загрязнения в дефолиирующих лесах и техногенных редколесьях закономерности формирования
питательного режима почв нарушаются, что обусловлено разрушением существующих в природе взаимосвязей. В почвах древесных парцелл техногенных редколесий, где выявлены наиболее высокие потоки кислотообразующих веществ и тяжёлых металлов [1], а древесные растения сильно повреждены, отмечено возрастание содержания №, Си, Fe, S (табл. 3). Одновременно органогенный горизонт почвы обедняется важнейшими минеральными элементами -Ca, Mn, Zn, K, P, необходимыми для поддержания сбалансированного минерального состава растений и соответственно нормального функционирования растительного организма, а значит, и лесного фитоценоза в целом. В техногенных редколесьях почва обедняется Mn и Zn, что обусловлено их замещением в почвенном поглощающем комплексе ионами водорода и алюминия и выносом из органогенного горизонта в результате интенсификации потока кислотообразующих веществ из атмосферы [1]. В де-фолиирующих лесах и техногенных редколесьях концентрации практически всех доступных элементов питания (Ca, К, P, Mg, Mn, Zn) снижаются, что обусловлено затуханием процессов отмирания растительного органического вещества и реакциями замещения катионов протонами водорода и алюминия.
Таблица 3. Элементный состав органогенного горизонта почвы (А0) сосновых парцелл, мг кг-1 абс. сух. вещества (комбинат «Североникель).
Стадия сук- Год Са К Р М8 Мп 8 А1 Fe Zn Си N1
цессии, км*
Ф, 270 км 1991 1553 1417 256 403 89 79 н.о. 6 11 1 1
2007 2161 805 180 259 93 122 47 7 21 1 1
Д, 31 км 1991 787 246 27 61 90 87 215 34 8 89 58
2007 1419 263 113 151 127 73 192 19 19 58 80
Р, 8 км 1991 919 191 32 126 31 134 87 44 11 300 348
2007 1010 315 45 127 32 117 73 166 10 917 287
Примечание: Ф - фоновые леса; Д - дефолиирующие леса, Р - техногенные редколесья, * км - расстояние от комбината
Выводы: долговременные наблюдения в зоне влияния горно-металлургических предприятий показали, что в настоящее время в почве сохраняются высокие концентрации элементов-загрязнителей. В большинстве случаев их содержание остаётся либо сопоставимым с 19911993 гг., либо их концентрации даже возрастают. В сосновых редколесьях содержание N сопоставимо с уровнем накопления в начале 90-х г. XX в., но существенно возросла концентрация Си. Содержание поллютантов в фотосинтезирую-щем аппарате растений и талломах лишайниках также остаются высокими. В зоне воздействия комбината «Печенганикель» лишайники и зелёных мхи стали накапливать даже больше тяжёлых
металлов по сравнению с уровнем 1991-1993 гг. В хвое сосны вблизи комбината также отмечено возрастание аккумуляции № и Си. Некоторые позитивные изменения выявлены в окрестностях комбината «Североникель», где за исследуемый период отмечено снижение Си, №, Fe и S в растениях и лишайниках. Одновременно ассимилирующие органы продолжают обедняться важнейшими элементами питания (Са, Mg, Мп, Zn), необходимыми для нормального функционирования организмов.
Работа выполнена при поддержке Программы РАН «Биологическое разнообразие»
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Лукина, Н.В. Питательный режим лесов северной тайги: природные и техногенные аспекты / Н.В. Лукина, В.В. Никонов. - Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 1998. 316 с.
2. Рассеянные элементы в бореальных лесах. / Под ред. А.С. Исаева. - М.: Наука, 2004. 616 с.
3. Сухарева, Т.А. Изменения в минеральном составе растений при уменьшении эмиссионной нагрузки на лесные экосистемы // Структурные и функциональные отклонения от нормального роста и развития растений под воздействием факторов среды.
Материалы Международной конференции (Петрозаводск, 20-24 июня 2011 г.). - Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2011. С. 331-335.
4. Rigina, О. Introduction into the environmental problems in the Kola Peninsula // Detection of pollution-induced forest decline in the Kola Peninsula using remote sensing and mathematical modeling. Licentiate Thesis. Raport/report 9. - Swedish University of Argicultural Sciences, 1998. P. 8-34.
5. Ruhling, A. Sorption and retention of heavy metals in the woodland moss Hylocomium splendens / A. Ruhling, G. Tyler // Oikos. 1970. Vol. 21. P. 92-97.
ASSESSMENT THE PINE FORESTS STATE IN ZONE OF COPPER-NICKEL ENTERPRISES INFLUENCE AT EMISSION LOADING REDUCTION
© 2013 T.A. Sukhareva Institute of Industrial Ecology Problems at the North KSC RAS, Apatity
The analysis of long-term (1991-2011) changes in mineral structure of plants, lichens, soils at pine forests of Kola Peninsula in a zone of influence of mining and metallurgical enterprises is made. It is shown that the maintenance of pollutants in soil-vegetable cover remain high, despite decrease in level of atmospheric emissions. The most sensitive to technogenic influence there are green mosses and lichens.
Key words: pine forests, atmospheric pollution, Kola Peninsula, soil, plants, lichens, element structure
Tatiana Sukhareva, Candidate of Biology, Research Fellow. E-mail: [email protected]
