Микроэлементы в ландшафтах бореальных лесов РФ

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ НАУК О ЗЕМЛЕ

КАФЕДРА ГЕОЭКОЛОГИИ

Курсовая работа

МИКРОЭЛЕМЕНТЫ В ЛАНДШАФТАХ БОРЕАЛЬНЫХ ЛЕСОВ РФ

Выполнил: студент гр. 136а

Д.А. Мишуков

Тюмень 2015

Оглавление

Введение

Глава 1. Источники поступления микроэлементов в лесные ландшафты бореальных лесов РФ

1.1 Природные источники поступления микроэлементов в лесные ландшафты бореальных лесов РФ

1.2 Техногенные источники поступления микроэлементов в лесные ландшафты бореальных лесов РФ

Выводы

Глава 2. Микроэлементы в почвах ландшафтов бореальных лесов РФ

2.1 Микроэлементы в почвах ландшафтов бореальных лесов РФ незагрязненных территорий

2.2 Микроэлементы в почвах ландшафтов бореальных лесов загрязненных территорий

Выводы

Глава 3. Микроэлементы в лесных ландшафтах бореальных лесов РФ

3.1 Микроэлементы в лесных ландшафтах бореальных лесов РФ незагрязненных территорий

3.2 Микроэлементы в лесных ландшафтах бореальных лесов РФ загрязненных территорий

Выводы

Заключение

Список литературы

Введение

Биогеохимические циклы элементов или так называемый биогеохимический круговорот есть способ существования и основа функционирования биосферы. Он определяет миграции всех природных химических элементов между биосферой и окружающей средой (литосферой, гидросферой, атмосферой) и использование их для жизненных процессов, поэтому все известные природные химические элементы в той или иной степени слагают биосферу Земли. Значительное число элементов, концентрации которых ничтожно малы (< n * 10^-2%) и общая масса которых не превышает 0,1% вещества планеты, активно участвуют в биогеохимических циклах и вовлечены в состав живого вещества (растений, животных, микроорганизмов, человека).

Все химические элементы (без исключения) присутствуют в живом веществе. Все химические элементы (без исключения) обладают биологической ролью. Деятельность человека чрезвычайно быстро и кардинально нарушила многие природные процессы, в значительной мере изменяя сложившиеся представления о роли тех или иных элементов в структурно-функциональной организации биосферы.

Известно, что живое вещество биосферы Земли состоит главным образом из четырех химических элементов: C,O,H,N. Кроме того, живые организмы в заметных количествах аккумулируют K, P,Ca, Mg, S, Na, Cl, в биокосных компонентах (почвах, донных отложениях и др.) концентрируются Si, Al, Fe, Mn, некоторые другие (не более 10-15) элементы. Остальные природные элементы содержатся в живом веществе и компонентах экосистем в очень незначительных концентрациях. Большинство микроэлементов находится в биосфере в состоянии рассеяния. Это состояние индуцируется жизнедеятельностью организмов не только из-за низких концентраций большинства элементов в сопредельных с биосферой средах, но и главным образом благодаря их особой роли в биосферных процессах.

Следовательно, рассеянные элементы - это химические элементы, находящиеся в биосфере в особой форме - состоянии рассеяния, отличающиеся крайне незначительными концентрациями (<n*10^-2%) и наличие которых является необходимым условием нормального функционирования биосферных ячеек - экосистем.

Актуальность: Бореальные леса занимают огромную площадь на территории РФ. Бореальные леса - важнейший производитель органического вещества и кислорода, стабилизатор климата, безальтернативное условие существование российского этноса, данный нам возобновимый природный ресурс. Начиная с ХХ века техногенное воздействие на бореальные леса сильно возрастало. Оно обусловило значительные потоки рассеянных элементов из атмосферы в лесные экосистемы и включение их в природные биогеохимические циклы.

Цель работы: Изучить факторы, влияющие на поступление, распределение, миграцию микроэлементов в почве и растительности бореальных лесов РФ

Объект: Почвенные и лесные ландшафты бореальных лесов РФ

Задачи:

1) Изучить источники поступления микроэлементов в почве и растительности бореальных лесов РФ

2) Изучить миграцию и распределение микроэлементов бореальных лесов РФ

3) Изучить содержание и распределение микроэлементов бореальных лесов РФ

Глава 1. Источники поступления микроэлементов в лесные ландшафты бореальных лесов РФ

1.1 Природные источники поступления микроэлементов в лесные ландшафты бореальных лесов РФ

Основным, чаще всего единственным, источником минеральных веществ для растений служит почва. Генетически контролируемые потребности растения определяют линию его поведения: при дефиците элементов питания усиливается растворяющая деятельность корней или с их помощью осваивается новый объем почвы, при избытке - задерживается поступление питательных веществ[2].

В целом растения легко поглощают формы микроэлементов, растворенные в почвенных растворах, как ионные, так и хелаты и комплексы. Основные черты поглощения можно суммировать следующим образом: 1) поглощение обычно происходит при очень низких содержаниях в растворах, 2) поглощение сильно зависит от концентрации в растворе, особенно при низком ее уровне, 3) скорость его сильно зависит от концентрации Н⁺ и других, 4) интенсивность меняется в зависимости от вида растений и стадии развития, 5) процессы поглощения чувствительны к таким свойствам почвенной среды, как температура, аэрация, окислительно-восстановительный потенциал, 6) поглощение может быть избирательным по отношению к определенным ионам, 7) накопление некоторых ионов может происходить в направлении, противоположном градиенту их концентраций в почве, 8) в круговороте элемента между корнями и внешней средой важную роль играет микориза[4].

Питательные вещества из почвы в корни поступают преимущественно в форме ионов, присутствующих или в растворе, или адсорбированных частицами. Поглощение ионов осуществляет главным образом молодая (растущая) часть корней. Имеется несколько путей, обеспечивающих постоянство контактирования корней с элементами питания. Во-первых, это достигается благодаря активному поиску необходимых ионов самим растением - увеличению длины корней и освоению новой толщи почвы. Так осуществляется перехват элементов питания. Во-вторых, ионы поступают в корни с массовым потоком, возникающим в почве в результате транспирации воды растениями.

В-третьих, ионы передвигаются из почвы в сторону корней диффузионно по градиенту концентрации.

Долевое участие каждого из перечисленных путей доставки ионов к корням в зависимости от обстоятельств, по-видимому, может существенно меняться. Если почвенный раствор беден элементами питания, что бывает часто, роль двух других механизмов доставки возрастает. Происходит обмен ионами между клетками эпидермиса и частицами почвы. Обмен может происходить или непосредственно между поверхностями клетки и частицы (перескок адсорбированных ионов), или в результате перехода ионов в почвенный раствор. Обменным фондом у корней служат ионы Н⁺ и , образующиеся при диссоциации углекислоты - конечного продукта в процессе дыхания.

Транспорт ионов питательных веществ в растении начинается после того, как они попадут в оболочку эпидермальных клеток. Частично ионы поглощаются клетками корня, чтобы обеспечить процесс метаболизма, основное же количество перемещается в надземные органы.

В клетках корня, в частности, осуществляется синтез многих органических соединений, для чего привлекаются поступающие из почвы ионы всех элементов - биофилов. Синтезированные вещества используются в самом корне, а также транспортируются (например, аминокислоты) в надземные органы.

Метаболические потребности в элементах питания в корне удовлетворяются за счет ионов свободного пространства, обменно адсорбированных клеточными оболочками (катионы) или мигрирующих с восходящим током влаги (анионы, катионы). Чтобы попасть из свободного пространства в клетку, ионам необходимо преодолеть плазмалемму - мембрану, обладающую избирательными свойствами. Благодаря этим свойствам приоритет в перемещении получают элементы-биофилы. Транспорт ионов в клетку становится возможным благодаря возникновению на плазмалемме электрохимического потенциала. Потенциал обычно отрицательный генерируется разницей в концентрации и величине заряда ионов на внутренней и внешней сторонах мембраны. Катионы , Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, и другие, кроме K⁺) втекают в клетку пассивно (без затраты метаболической энергии), анионы , H₂P, Cl^-, и др.) накачиваются в нее активно (с затратой энергии). Поступившие в клетки корня ионы могут перемещаться по симпласту диффузно по градиенту концентрации, возникающему вследствие метаболических процессов. Если в клетке ощущается избыток ионов, он активно перекачивается тонопластом в вакуоль.

По ксилеме из корня в надземные органы к местам свершения основных жизненных функций перебрасывается большая часть ионов. При радиальном, от эпидермальных клеток до трахеальных элементов ксилемы, движении в ионном потоке происходят существенные преобразования. Дело в том, что, попав в анопласт и направляясь к ксилеме, химические элементы встречают так называемый поясок Каспари. Он состоит из одного слоя клеток, в оболочке которых имеется субериновая перемычка. Перемычка перекрывает ионам дальнейший путь по анопласту, направляя их в симпласт. Это означает, что легкая миграция всех ионов по свободному пространству должна смениться их избирательным поглощением клеточными мембранами. В ксилему таким образом будут попадать преимущественно физиологически важные химические элементы и в пропорциях, более благоприятных для процессов метаболизма. Иными словами, балластные и избыточные ионы будут задерживаться корнями. Однако возможности корней в этом отношении не беспредельны и при повышении содержания ионов какого-либо химического элемента в среде их излишнее поступление в ксилему становится все более вероятным.

Наглядной иллюстрацией транспорта ионов в корне моет служить схема, составленная М.Ф. Даниловой [1974]. В ней показаны не только наиболее вероятные пути перемещения ионов, но и названы механизмы, обеспечивающие перемещение.

Попав в ксилему, ионы частично адсорбционно задерживаются ее клеточными оболочками (это относится к катионам), частично расходуются на поддержание жизнедеятельности тканей стебля, основной же поток направляется в листья. В ксилемном соке поднимающиеся к листьям химические элементы находятся в различных формах. Калий и натрий передвигаются исключительно в ионной форме, сера - в виде сульфата, фосфор - в виде фосфорилхлорина.

Рисунок 1 - Возможные пути и механизмы передвижения веществ в корне

В листьях ионам вновь предстоит переход из апопласта в симпласт и, как следствие, - очередное избирательное поглощение химических элементов на этот раз фотосинтезирующими клетками. Избыточные и балластные ионы в этом случае остаются в свободном пространстве тканей листьев. Часть их все же в состоянии преодолеть плазмалемму, однако в цитоплазме ионы не накапливаются в большом количестве: клетки листьев все время регулируют их концентрацию, активно перекачивая лишнее в вакуоль. Более того, возможен сброс избыточных ионов во флоэму, и тогда они вместе с ассимилятами поступают в корни, а из них или выделяются в среду, или начинают вновь движение в надземные органы[5].

В случае, когда концентрация ионов в листьях не вызывает негативных явлений, растительный организм переходит в репродуктивную фазу своего развития - формирования плодов и семян. Это влечет за собой передислокацию некоторых химических элементов: отток их (N, P, K, S) в плоды и семена или, напротив, накопление (Ca, Fe, Mn, Zn, B) в стебле и старых листьях [6]. При этом, однако, избыточные ионы, присутствующие в вегетативных органах, в репродуктивные не поступают.

В среде с высокой концентрацией любого химического элемента его избыточное поступление в растения неизбежно. Избыток ионов или транспортируется в отдаленные от метаболических центров зоны (например, перекачивается в вакуоль), или включается в состав труднорастворимых веществ. Основное назначение этих процессов - обеспечит благоприятное для деятельности клетки содержание ионов.

Поглощенные химические элементы распределяются в организме растения неравномерно, что обусловлено физиологической ролью каждого из них, спецификой биохимических процессов в различных частях растения, концентрацией ионов в питательной среде.

При обильном содержании элементов - биофилов в среде в их распределении по органам растений отмечается характерная закономерность: наиболее насыщен элементами корень, наименее - репродуктивный орган (орган запасания ассимиляторов). Листья и стебель занимают промежуточное положение. Это явление можно объяснить наличием у растений защитного механизма неспецифической природы, эффективно работающего в условиях повышенных концентраций и защищающего основные метаболические центры от избытка ионов[2].

1.2 Техногенные источники поступления микроэлементов в лесные ландшафты бореальных лесов РФ

Вокруг индустриальных предприятий (горнометаллургические, горнодобывающие, нефтеперегонные), крупных городов, дорожных магистралей, в устьях реки по берегам морей и океанов возникают техногенные аномалии рассеянных элементов. Они могут быть разделены на литохимические (почвы, породы, строения), гидрогеохимические (воды), атмогеохимические (атмосфера), биогеохимические (организмы). Совокупность техногенных аномалий загрязнения вызывают нарушения и разрушения природных и искусственных экосистем, заболевания человека, поскольку концентрации многие рассеянные элементы в экосистемах отдельных регионов приближаются к токсичному уровню[3].

Техногенную миграцию определяют две группы процессов[7]. Первая группа унаследована от биосферы: биологический круговорот, круговорот воды, рассеяние элементов в результате импульверизации, вулканических извержений и др. Вторая группа находится в резком противоречии с природными условиями. Это металлическое состояние некоторых элементов (Fe, Ni, Cr, Cu, V и др.), не соответствующее физико-химическим условиям земной коры, производство химических соединений, отсутствующих в биосфере, производство атомной энергии, радиоактивных изотопов, сверхчистых веществ.

Загрязнение атмосферы происходит как в результате природных процессов (эоловая пыль, вулканические извержения, испарение с поверхности воды, транспирация растениями и др.), так и антропогенной деятельности (сжигание горючих ископаемых, выплавка металлов, использование удобрений и ядохимикатов сельском хозяйстве и др.)

Основные источники техногенных загрязнений почв рассеянными элементами: а) теплоэлектростанции (сжигание ископаемого топлива и золоотвалы); б) металлургические комбинаты по добыче и переработке руд тяжелых металлов; в) автомобильный транспорт; г) минеральные удобрения и химические средства защиты от вредителей и болезней в сельском хозяйстве.

Главными характеристиками загрязнения атмосферы рассеянными элементами являются следующие: 1) промышленные выбросы в атмосферу, рассеивающиеся на значительных территориях и переносящие на значительные расстояния. Размеры зоны рассеяния определяются концентрацией твердых частиц в выбросах и высотой заводских труб; 2) биоаккумуляция в организмах (прежде всего в растениях) без видимых повреждений; 3) воздействие на живые ткани путем нарушения метаболических процессов; 4) устойчивость к детоксикации при метаболизме, следствием чего является вхождение рассеянных элементов в пищевые цепи.

Реальность загрязнения биосферы соединениями рассеянных элементов обусловлена прежде всего их устойчивостью во внешней среде, растворимостью в атмосферных осадках, способностью к сорбции почвой, зелеными насаждениями, донными отложениями, что в совокупности и приводит к постепенному накоплению в среде обитания человека. Согласно прогнозам и оценкам в будущем рассеянные элементы могут стать более опасными загрязнителями, чем отходы атомных электростанций и органические вещества, и выйти на первое место или, в крайнем случае, разделить его с пестицидами [8].

К тяжелым металлам относятся свыше 59 химических элементов с относительной плотностью 5 г/см³. Техногенное воздействие, существенно изменившее природные биогеохимические циклы, повсеместно сопровождается полиэлементной химизацией (металлизацией) в цепи: источники выбросов (выбросы, отходы, стоки) > транспортирующие (атмосфера, гидросфера) и депонирующие (почва, донные отложения) среды > экосистемы > организмы.

Многочисленные данные свидетельствуют о формировании техногенных биогеохимических провинций, загрязненных тяжелыми металлами, вокруг предприятий по их добыче и переработке при высокотемпературных технологических процессах (металлургии, обжиге цементного сырья и др.), однако значительно больше металлов поступает в биосферу с выбросами от теплоэнергетических установок (прежде всего, сжигание углей). Эти предприятия обусловливают общепланетарный процесс обогащения биосферы тяжелыми металлами [9].

В связи с ростом экологических исследований большое значение получили классификации элементов по степени токсичности, прежде всего приоритетных загрязнителей. В 1973 г. К приоритетным загрязнителям относились свинец, кадмий и ртуть, в 1980 г. К ним были добавлены медь, олово, ванадий, хром, молибден, марганец, кобальт, никель, сурьма, мышьяк, и селен.

Загрязнение растений рассеянными элементами происходит при техногенном воздействии за счет поверхностного загрязнения, а также фолиарного и почвенного поглощения. При длительном воздушном загрязнении оценка поступления рассеянных элементов в растения осложняется аддитивным влиянием большого и постоянно увеличивающегося запаса этих элементов в корнеобитаемом слое почвы. При избытке многих рассеянных элементов в почвах могут появляться признаки угнетения растений. На загрязненных территориях накопление рассеянных элементов в растениях зависит от запасов доступных соединений и защитных возможностей растительного организма.

Загрязнение растений рассеянными элементами делится на внешнее (оседание на поверхности надземных органов) и внутреннее (поступление в ткани главным образом через корни).

У. Эрнст [10] выделяет два пути приспособления растения к высоким концентрациям рассеянных элементов: 1) использование защитных механизмов для предотвращения накопления этих элементов; 2) инактивация поступивших в растение элементов, их вывод в менее поражаемые части, изменение метаболических путей.

В условиях воздушного загрязнения значительное ускорение нисходящего перемещения рассеянных элементов может происходить благодаря их фолиарному поглощению, перераспределению по растению и поступлению на различную глубину в составе корневых выделений и корневого опада [11].

В бореальных лесах представлены растения двух типов стратегий питания: 1) поглощающие элементы питания из почв - древесные растения, кустарнички, травянистые; 2) поглощающие элементы питания из атмосферы - мохообразные и лишайники. Благодаря функционированию мохообразных и лишайников атмосфера как источник питания используется всем лесным сообществом, поскольку при разложении опада этих растений элементы питания, поглощаемые из атмосферы, становятся доступными для растений, поглощающих элементы питания из почвы. Элементы, вымываемые из полога древесных растений, используются растениями с атмосферной стратегией питания. Особую роль в питании растений с корневой стратегией питания играют органогенные горизонты, способные аккумулировать и длительное время сохранять наиболее доступные для растений соединения элементов [12].

Выводы

Таким образом, поступающие из почвы в корень ионы для продвижения в надземные органы вынуждены переходить из-за наличия в эндодерме заградительного пояска Каспари из анопласта в симпласт. При этом начинает действовать механизм избирательного поглощения: приоритет при переходе отдается физиологически важным химическим элементам. В случае повышенного содержания химического элемента в среде поясок Каспари является барьером для дальнейшего транспорта избыточных ионов, а коровая ткань служит их вместилищем.

Ионы, транспортируемые по ксилеме, прежде чем попасть в клетку листа, вновь подвергаются на цитоплазматической мембране качественно-количественному контролю: к центрам метаболической деятельности пропускаются прежде всего жизненно необходимые и по возможности в требуемом количестве. Избыточные ионы в клетке переводятся в вакуоль.

Благодаря довольно полной разобщенности флоэмного и ксилемного тока веществ наиболее тщательно генотипические пропорции химических элементов поддерживаются в репродуктивных органах (органах запасания ассимилятов), что, вероятно, является эволюционным приспособлением для защиты проростка-гетеротрофа от излишних минеральных компонентов и косвенным способом передачи информации о видовых особенностях элементного химического состава.

Глава 2. Микроэлементы в почвах ландшафтов бореальных лесов

2.1 Микроэлементы в почвах ландшафтов бореальных лесов РФ незагрязненных территорий

Источник тяжелых металлов в почвах незагрязненных территорий - горные породы, на продуктах выветривания которых сформировался почвенный покров. Тяжелые металлы относятся преимущественно к рассеянным химическим элементам, содержащимся в горных породах в небольшом количестве.

При выветривании коренных горных пород тяжелые металлы в значительной части сохраняются в рыхлых образованиях, изменив форму и место присутствия. Главными носителями тяжелых металлов становятся вторичные минералы, гидрооксиды и оксиды полуторных элементов, а формами присутствия: водорастворимая, обменная, окклюдированная R₂O₂, в кристаллической решетке вторичных минералов (изоморфное замещение) и в их межплоскостном пространстве, в первичных минералах.

Почвообразующие породы разного гранулометрического состава содержат заметно различающиеся количества тяжелых металлов: небольшое - песчаные и супесчаные, значительное - суглинистые и глинистые. Основная причина - несхожесть минералогического состава пород. В песках преобладает кварц, почти лишенный тяжелых металлов, тогда как в суглинках и глинах велика доля глинных минералов, богатых тяжелыми металлами.

При почвообразовании происходит некоторое перемещение тяжелых металлов в профиле почвы. Наблюдается биогенная аккумуляция ряда физиологически важных для растительности элементов - Mn, Zn, отчасти Cu. В почвах с элювиально-иллювиальным профилем (дерново-подзолистые, серые лесные, солоди, солонцы и др.) элювиальный горизонт обедняется тяжелыми металлами, тогда как иллювиальный обогащается. Нередко фиксируются небольшие аккумуляции тяжелых металлов в верхней части карбонатного горизонта. В депонировании тяжелых металлов в верхнем слое почв принимают участие глинистые минералы и гумусовое вещество.

В илистых частицах содержание тяжелых металлов в 2-4 раза больше, чем в почвенной массе в целом. Такое обогащение едва ли можно рассматривать только как результат процесса почвообразования. Дело в том, что по количеству многих тяжелых металлов ил, выделенный из материнской породы, почти не отличается от ила из гумусового горизонта почв, которые сформировались на этой породе. Иными словами, аккумуляция тяжелых металлов в тонкой гранулометрической фракции произошла раньше, чем началось современное почвообразование. Гумус по отношению к тяжелым металлам обладает высокой депонирующей способностью: помимо обменного поглощения гумусовые кислоты могут образовывать с тяжелыми металлами комплексные органоминеральные соединения. Будучи закомплексованными они становятся малоподвижными[1].

Важную роль в накоплении тяжелых металлов играют комплексы глинных минералов с органическим веществом и гидрооксидами Fe и Al. Однако наиболее насыщенной тяжелыми металлами является тяжелая фракция (удельная масса > 2,75) грубодисперсной части почвообразующих пород и почв. Эта фракция, состоящая в основном из роговой обманки, ильменита, эпидота, циркона, тремолита, содержит тяжелых металлов в несколько раз больше, чем илистая[13]. Но так как доля тяжелых минералов в субстрате невелика (0,5-5%), они не могут оказать существенного влияния на баланс металлов.

К основным носителям тяжелых металлов в незагрязненных почвах следует отнести оксиды железа. В них может сосредотачиваться, например цинка, до 25% от общего содержания металла в почве[14].

Изучение содержания тяжелых металлов в незагрязненных почвах имеет большое практическое значение. Оно необходимо для контроля за состоянием окружающей среды, охраны ее от загрязнения. Так называемое фоновое количество тяжелых металлов служит точкой отсчета при исследовании загрязненных почв, позволяет определить темпы и степень загрязнения.

Подвижная форма тяжелых металлов распределяется в профиле почв неравномерно. Ее повышенное количество чаще всего свойственно гумусовому горизонту. Некоторое накопление возможно также в иллювиальном и карбонатном горизонтах. Каждому из перечисленных факторов можно дать объяснение: а) значительная часть тяжелых металлов, освобождающихся при разложении растительных остатков, депонируется в гумусе, сохраняя при этом мобильность, б) в иллювиальном горизонте накапливаются мигрирующие из вышележащего слоя почвы тонкодисперсные частицы, насыщенность которых тяжелыми металлами всегда более высокая, в) резкое повышение рН среды в профиле почвы на контакте с карбонатным горизонтом, отчего мигрирующие с нисходящим током влаги металлосодержащие соединения могут выпадать в осадок и образовывать небольшие местные аккумуляции.

Содержание в почве подвижной формы тяжелых металлов динамично во времени. Причины изменений могут быть разные, однако в большинстве случаев колебания объясняются деятельностью почвенных микроорганизмов и возрастными изменениями растений в интенсивности поглощения химических элементов. На микробиологическую деятельность большое влияние оказывает влажность почвы, которая тесно связана с текущими погодными условиями и потому не может иметь определенного ритма.

Среди незагрязненных почв особое место занимают те, которые сформировались над близко залегающими от поверхности рудными телами. В них содержится повышенное количество тяжелых металлов. Нередко оно бывает столь велико, что на таких почвах может произрастать только специфическая растительность.

В почвах над геохимическими аномалиями тяжелые металлы могут содержаться в количестве, сопоставимом с тем, какое наблюдается в техногенно сильнозагрязненных почвах, или даже превосходить его. Аномалии чаще приурочены к горным территориям и проявляются в местном почвенном покрове на сравнительно небольших площадях. В аномалии имеются центры с наибольшей концентрацией тяжелых металлов и периферические части с постепенным понижением их количества.

Между почвами геохимически аномальными и техногенно загрязненными наблюдаются различия в статусе тяжелых металлов. В первом случае на фоне небольшого накопления тяжелых металлов в гумусовом горизонте прослеживается увеличение их содержания с глубиной почвенно-геологического профиля, тогда как во втором случае они концентрируются в приповерхностном слое. Другое различие - формы нахождения тяжелых металлов в почве. В почвах геохимических аномалий могут присутствовать металлосодержащие гипогенные минералы, однако преобладают вторичные минералы, образовавшиеся в зоне окисления в процессе выветривания и представленные сульфидами, сульфатами и карбонатами тяжелых металлов. Частично тяжелые металлы в сорбированном состоянии находятся в гидрооксидах железа. При техногенном же загрязнении в почве происходит накопление преимущественно оксидной и металлической форм[1].

2.2 Микроэлементы в почвах ландшафтов бореальных лесов загрязненных территорий

Имеется несколько основных источников поступления тяжелых металлов в незагрязненные почвы: карьеры и шахты при добыче полиметаллических руд; металлургические предприятия; электростанции, сжигающие уголь; автотранспорт; химические средства защиты сельскохозяйственных культур от болезней и вредителей. Доля каждого из них в загрязнении почв меняется в зависимости от конкретных обстоятельств, и все е наиболее мощные потоки тяжелых металлов возникают вокруг предприятий черной и особенно цветной металлургии. Исключение составляет свинец, который в окружающую среду в большом количестве поступает также от автотранспорта.

Рисунок 2 - Основные источники тяжелых металлов (Cd, Pb, Zn, Cu)

Почвы могут быть отнесены к загрязненным, если: [15] 1) уровень первичной продуктивности снижается по сравнению с «нормой», 2) в органах и тканях растительных организмов с корневой стратегией питания накапливаются соединения элементов в количествах, нарушающих жизненные функции, 3) в почвенной биоте не сохраняется средообразуюший генофонд, поддерживающий устойчивость почвы как биокосного тела.

При длительном поступлении тяжелых металлов из основных источников загрязнения может накопиться значительное их количество, сопоставимое с содержанием в естественных геохимических аномалиях или даже превосходящее его. Особенно большое количество тяжелых металлов накапливается в почвах, которые развиваются на обогащенной металлами материнской породе и дополнительно загрязняются техногенным путем.

Значительное количество тяжелых металлов накопилось в техногенно загрязненных почвах бывшего СССР, особенно вокруг металлургических предприятий, рудников и обогатительных фабрик, а также вдоль автомагистралей.

Б.А. Звонарев и Н.Г. Зырин [1981] выяснили, что загрязнение почв ртутью за счет выбросов предприятия цветной металлургии ограничивается расстоянием 5-6 км. Зона же максимального накопления ртути заключена в пределах 0-3 (3,5) км от источника загрязнения: здесь в почвах ртути в среднем содержится 1,02 (колебания от 0,18 до 2,40) мг/кг, что превышает примерно в 11 раз фоновое количество[16].

В почвах, расположенных вблизи свинцово-плавильного производства, содержание некоторых тяжелых металлов резко возросло. Об этом можно судить по данным кислорастворимой формы, количество которой в дерновом слое местных почв увеличилось: Pb в 64 раза, Zn в 35 раз, Cu в 14 раз[17].

Валовое количество тяжелых металлов в почвах, загрязненных металлургическими предприятиями, может достичь внушительных размеров. Например, Е.А. Важениной [1983] в слое 0-5 см обнаружено свыше 400 мг Zn, 900 мг Pb и более 8500 мг/кг Cu. В исследованиях В.Б. Ильина [Ильин и др., 1985] в почве около цинкоплавильного предприятия содержание цинка приближалось к 10000 мг, свинца - к 1000 мг, кадмия - к 100 мг/кг.

Судя по материалам Э.П. Маханько с соавторами [1985], в радиусе 1 км от источника загрязнения на почве оседает тяжелых металлов примерно 1-3 % от их количества в выбросах. Доля осевшего на почву Zn в радиусе 10 км от цинкоплавильного завода не превышала 10 % от содержания металла в выбросах. Таким образом, основной поток тяжелых металлов рассеивается за пределами зоны, которая обычно рассматривается как загрязненная и уверенно фиксируется анализами почвы.

Границы ареала техногенного загрязнения сероземов, по данным А.В. Корнилова и других [1988], располагаются в 6-7 км от предприятия цветной металлургии. Зона наибольшего загрязнения почв ограничена 0,7-1,5 км. Содержание здесь Pb и Cd в 20 раз, Zn в 10 раз больше, чем в почвах на удалении 7 км.

В составе пылегазовых выбросов металлургических предприятий преобладают окислы железа, алюминия, кальция и магния, а также силикаты[18]. Количество тяжелых металлов в выбросах тоже значительное : по данным Р.И. Первуниной с соавторами [1987], в пыли завода по выплавке свинца и цинка содержалось 51 % Pb, 12 % Zn и 1,5 % Cd.

Следует подчеркнуть, что в почвах, загрязняемых металлургическими предприятиями, накапливаются не только профилирующий, но и другие металлы, сопутствующие ему в рудах.

Очень мощным источником загрязнения почв могут стать паводковые воды рек, пересекающих индустриальные районы. Также нельзя игнорировать как источник тяжелых металлов цементную пыль. Разумеется, атмосферные выбросы цементных заводов экологически и социально опасны прежде всего наличием в них силикатной пыли.

Накопление тяжелых металлов техногенного происхождения в приповерхностном слое почвы объясняется тем, что основная их часть поступает в форме труднорастворимых или нерастворимых соединений. По данным Р.И. Первуниной и С.Г. Малахова [1988], в составе пыли, выбрасываемой в атмосферу предприятием по выплавке свинца и цинка, преобладают оксиды металлов (свыше 50 %). На долю водорастворимой формы Zn и Cd приходится 6-7 %, водорастворимый Pb отсутствует.

При выходе в атмосферу начинается сепарация твердого содержания выбросов: более крупные и тяжелые частицы оседают близко от источника загрязнения, тогда как более легкие и мелкие переносятся дальше. Разделение частиц по размеру и удельной массе например, по насыщенности тяжелыми металлами и по растворимости. Попавшие на земную поверхность металлосодержащие частицы перераспределяются между элементами рельефа, особенно весной во время таяния снега, обогащенного за зимний период техногенной пылью.

На долю водорастворимой формы, по многочисленным данным, приходится меньшая (нередко менее 5 % от общего количества) часть металла. Однако абсолютная величина довольно большая. Наиболее велико содержание водорастворимой формы на территории, примыкающей к предприятиям.

Для практических целей представляет большой интерес распределение тяжелых металлов по почвенному покрову загрязненной территории. Многочисленными исследователями было установлено, что загрязнение почв промышленными предприятиями прослеживается на значительном удалении от источника металлосодержащих выбросов - на расстоянии 10-12 км, иногда более. Иными словами, за счет выбросов одного завода происходит загрязнение почвенного покрова площадью до нескольких сотен квадратных километров. Степень же загрязненности почв отдельных участков этой территории существенно неодинаковая: почвы, прилегающие к промышленному предприятию, содержат тяжелых металлов больше, чем почвы удаленные, а на этом фоне выделяются своей повышенной загрязненностью участки, находящиеся под факелом выбросов.

Размеры зоны сильного загрязнения определяются как концентрацией твердых частиц в выбросах, так и высотой заводских труб. Высокие трубы способствуют рассеиванию на большее расстояние и на единицу площади поступает меньшее количество металлов. Зона сильного загрязнения может простираться от источника загрязнения на расстояние 1-5 км.

Особо следует отметить реакцию снеговой воды, которая в окрестностях металлургического комбината отчетливо щелочная, тогда как в зоне воздействия цинкоплавильного комбината - слегка кислая, близкая к фоновой. Различия в реакции обусловлены неодинаковым составом атмосферных выбросов. Поскольку в условиях щелочной среды тяжелые металлы Zn, Pb, Ni, Cd и т.д. характеризуются малой подвижностью, в зоне загрязнения металлургическим комбинатом их нисходящая миграция ограничена и, что особенно важно, уменьшено поступление в растения.

Попавшие в почву тяжелые металлы, прежде всего их мобильная форма, претерпевают различные трансформации. Один из основных процессов, влияющих на их судьбу в почве - закрепление гумусовым веществом. Закрепление осуществляется в результате образования тяжелыми металлами солей с органическими кислотами, адсорбции ионов на поверхности на поверхности органических коллоидных систем или закомплексовывания их гумусовыми кислотами. Миграционные возможности тяжелых металлов при этом в основном понижаются.

Именно этим обстоятельством в значительной мере объясняется повышенное содержание тяжелых металлов в верхнем, т.е. в наиболее гумусированном слое почвы (рис. 3).

Некоторая часть ионов тяжелых металлов адсорбируется на поверхности минеральных частиц. Возможно также их проникновение в межплоскостное пространство глинных минералов или изоморфное замещение ионов других элементов в кристаллической решетке.

Нисходящей миграции тяжелых металлов препятствуют также гидрооксиды и оксиды Fe и Mn, которые обычно концентрируются в верхней части профиля почвы. Доля захваченных ими тяжелых металлов может быть значительной.

Количество водорастворимой формы тяжелых металлов в техногенно загрязненных почвах по данным разных авторов неодинаковое, но в целом небольшое. По материалам польских исследователей [Kabata-Pendias et al., 1981], в почве зоны загрязнения медеплавильным заводом в почвенном растворе содержалось (в % от валового количества) Cu - 0,3-0,6; Pb - 0,02-0,4; Cd - 0,1-10; Zn - 0,3-15. В водной вытяжке из этой же почвы доля перечисленных тяжелых металлов оказалось немного выше[5].

Постоянное присутствие в почве соединений тяжелых металлов, способных к миграции с током почвенной влаги, может стать с течением времени причиной загрязнения водоемов и почв в пониженных элементах рельефа, т.е. образования вторичных техногенных аккумуляций.



Рисунок 3 - Распределение ртути (1) и органического вещества (2) в профиле подзола

На миграционные возможности тяжелых металлов в почве большое влияние оказывают кислотно-щелочные условия и окислительно-восстановительная обстановка. Представление об этом дает классификация тяжелых металлов по особенностям водной миграции, выполненная А.И. Перельманом [1979] [7].

Данные свидетельствую о том, что группа приоритетных тяжелых металлов - Cd, Pb, Zn, Ni - обладает значительной подвижностью в кислой среде и становится инертной при изменении реакции среды в сторону подщелачивания. Далее следует отметить, что такой сильный токсикант, как ртуть, способен при наличии условий для окисления мигрировать в широком диапазоне рН. Сравнительно большей подвижностью в почве может обладать стронций, будучи представленным солями угольной и серной кислот. Малоподвижным элементом в большинстве природных условий является хром.

Концентрированию в верхнем горизонте почвы тяжелых металлов, поступающих от ТЭЦ и металлургических предприятий, способствует подщелачивание среды за счет ингредиентов, которые присутствуют в выбросах. В щелочной среде большинство тяжелых металлов становится малоподвижным.



Рисунок 4 - Классификация тяжелых металлов по особенностям водной миграции

Взаимодействия ионов тяжелых металлов с гумусовым веществом могут быть описаны как ионообменные, адсорбция на поверхности, хелатирование, реакции коагуляции и пептизации. Основными продуктами взаимодействия являются простые соли - гуматы и фульваты тяжелых металлов, а также комплексные и внутрикомплексные (хелатные) металлосодержащие соединения. В комплексных соединениях ионы металлов располагаются в анионной части гумусовой молекулы и в составе карбоксильной и фенольной групп при замещении в них протонов. В анионной части они прочно закреплены, тогда как в функциональных группах способны к диссоциации. Фульвокислоты обладают более высокой способностью к комплексообразованию с ионами поливалентных металлов по сравнению с гуминовыми, оставаясь в тоже время подвижными.

Комплексные соединения показывают неодинаковую устойчивость, поскольку она зависит от свойств взаимодействующих компонентов и реакции среды. Общий порядок стабильности комплексных соединений гумусовых веществ с тяжелыми металлами выглядит следующим образом: Pb²⁺ > Cu²⁺ > Ni²⁺ > Co²⁺ > Zn²⁺ > Cd²⁺ > Fe²⁺ > Mn²⁺.

Комплексы фульвокислот с тяжелыми металлами устойчивее при рН 5,0, чем при рН 3,0. При рН 5,0 (эти значения более свойственны почвам) устойчивость комплексов уменьшается в зависимости от тяжелых металлов так: Ni²⁺ > Co²⁺ > Pb²⁺ > Cu²⁺ > Zn²⁺ > Mn²⁺.

Стабильность комплексов гуминовых кислот с тяжелыми металлами также повышается с возрастанием в определенных пределах рН. В частности, это свойственно комплексным соединениям, в которых присутствуют такие приоритетные загрязнители, как Hg, Cd, Zn[1].

Для почв бореальной зоны в целом концентрации и формы тяжелых металлов определяются главным образом составом и свойствами почвообразующих пород и генезисом почв. Это связано с тем, что средняя плотность населения в этой зоне весьма незначительна. Оно сконцентрировано преимущественно в европейской части страны в крупных городах и промышленных центрах.

Поступающие в почву из природных и антропогенных источников первичные соединения тяжелых металлов являются термодинамически неустойчивыми, поскольку почвенные условия существенно отличаются от условий их формирования. В результате все эти соединения с той или иной скоростью трансформируются в более устойчивые формы. Процессы, вызывающие трансформацию первичных соединений тяжелых металлов в почвах, носят универсальный характер и реализуются во всех типах почв с определенным своеобразием, обусловленным конкретными условиями существования той или иной почвы (рис. 5)

Рисунок 5 - Схема трансформации соединений тяжелых металлов в почве

Важнейшим этапом трансформации соединений тяжелых металлов в почвах является переход металлов из твердой фазы в жидкую. В силу термодинамической неустойчивости первичных соединений тяжелых металлов эта стадия трансформации в большинстве случаев является необратимой. Далее свободные тяжелые металлы в почвенном растворе вступают в обратимые взаимодействия с неорганическими и органическими компонентами почвенного раствора за счет процессов гидролиза, гидратации и ассоциации (комплексообразования). Свободные и образовавшиеся ассоциированные формы металлов взаимодействуют с другими эффективными фазами почв, включая микроорганизмы, мезофауну и корневые системы растений, вступая, таким образом, в биогеохимический круговорот[3].

Особенности нахождения тяжелых металлов в бореальных почвах обусловлены характером почвообразовательного процесса и появлением компонентов, присущих только почвам: специфическому и неспецифическому органическому веществу, а также некоторым минеральным и органоминеральным соединениям, образующимся в результате деятельности живых организмов. Последние играют чрезвычайно важную роль в трансформации соединений тяжелых металлов в почвах[19].

Выводы

Таким образом, к заслуживающим внимания сведениям необходимо отнести следующие: валовое содержание тяжелых металлов в незагрязненных почвах обладает большой вариабельностью, что делает малопригодным использование глобального и даже регионального кларков в практических целях; основные носители (накопители) тяжелых металлов в почве - тонкодисперсные минеральные частицы, гумус, отчасти оксиды железа и марганца; одновременное присутствие в почву нескольких форм тяжелых металлов, различающихся своей подвижностью и доступностью для растений; содержание в почве подвижной формы тяжелых металлов динамично в течение вегетации; универсального экстрагента, пригодного для извлечения доступной для растений формы всех тяжелых металлов.

Главным источником техногенных загрязнений почв являются металлургические предприятия, рудники по добыче полиметаллов, теплоэлектростанции, автомобильный транспорт. Загрязнение моет охватывать площади в сотни квадратных километров и более. Наибольшему загрязнению подвергаются почвы в радиусе 2-5 км от металлургических предприятий, в радиусе 1-2 км от рудников и ТЭЦ, в полосе 0-50 (100) м от автомагистралей.

Источником сильного загрязнения почвы могут стать осадки сточных вод промышленных городов, обычно содержащие большое количество тяжелых металлов.

Тяжелые металлы, как правильно, концентрируются в приповерхностном слое почвы 0-10 (20) см, где они присутствуют в форме обменных ионов, входят в состав гумусовых веществ, карбонатов, оксидов Al, Fe и Mn. Доля водорастворимой формы невелика, однако при сильном загрязнении абсолютное количество водорастворимых тяжелых металлов становится самостоятельным экологически опасным фактором.

Состояние тяжелых металлов в бореальных почвах зависит от свойств элементов, состава и свойств почв и почвообразующих пород. Техногенные соединения тяжелых металлов относительно быстро переходят в более устойчивые формы характерные для почв бореального пояса. При этом перераспределение тяжелых металлов между различными компонентами почв зависит от свойств металла.

Глава 3. Микроэлементы в лесных ландшафтах бореальных лесов РФ

3.1 Микроэлементы в лесных ландшафтах бореальных лесов РФ незагрязненных территорий

Техногенное загрязнение почвы отрицательно отражается на растениях. Проникая в избытке в растительные организмы, тяжелые металлы подавляют ход метаболических процессов, тормозят развитие, снижают продуктивность. Поэтому важным моментом охраны окружающей среды от загрязнения становится знание нормального (фонового) содержания тяжелых металлов в различных растениях, особенно в сельскохозяйственных культурах. С его помощью можно оценивать темп и масштаб загрязнения, следить за результатами профилактических мероприятий [1].

А.П. Виноградов [1935] пришел к заключению, что пригодными к жизни могли стать элементы или широко распространенные, или показывающие большую подвижность, или обладающие специфическими свойствами, полезными для процессов обмена [19]. В дальнейшем он развил свое представление о формировании элементного химического состава растений, высказав интересную мысль о том, что все химические элементы так или иначе участвуют в жизненных процессах [Виноградов, 1952] [20].

Для обсуждаемой в книге проблемы точка зрения А.П. Виноградова имеет важное научное значение. Если все химические элементы нужны растениям, то можно ли какой-нибудь из них рассматривать как токсичный? Очевидно, нельзя. Если присутствие химических элементов в растительной ткани метаболически обосновано и оно для каждого элемента приобрело определенное количественное выражение, будет правильнее говорить не о токсичных элементах, а о токсичных для растений концентрациях химических элементов. В очень небольших количествах Mn, Zn, Cu, Mo совершенно необходимы растениям. Вместе с тем эти же химические элементы входят в группу тяжелых металлов, токсичность которых хорошо известна. Конечно, один и тот же элемент для одного и того же ботанического вида не может быть одновременно полезным и вредным, если не иметь в виду его разные концентрации.

К этому целесообразно привлечь «идеальную» кривую роста растений в зависимости от концентрации питательного элемента в среде обитания (рис. 6). На диаграмме показано, как концентрация из благоприятной превращается в токсичную, а элемент из полезного как бы переходит в категорию вредного. Обращает на себя внимание относительно широкий диапазон благоприятных для продукционного процесса концентраций химических элементов в среде обитания. По существу он охватывает ситуации от малого дефицита до умеренного избытка. В первом случае оптимум в питании достигается за счет более экономного использования поглощенного элемента, во втором - в результате защитных механизмов растения, ограничивающих поступление избыточных ионов в метаболически важные центры. Лишь при дальнейшем увеличении содержания химического элемента в среде и, как следствие этого, в растении наступает момент, когда избыток ионов начинает действовать угнетающе - концентрация становится токсичной.

Рисунок 6 - Идеальная кривая роста растений как функция концентрации питательного элемента [21]

В большинстве незагрязненных почв содержание одних и тех же химических элементов не столь контрастно (табл. 1). Однако диапазон колебаний все же достаточно велик, чтобы обусловить заметные различия в количестве любого химического элемента в растениях одного вида, но собранных в разных пунктах. В данном случае следует говорить о влиянии на элементный химический состав растений условий окружающей среды, т.е. экологического фактора. Ведущее значение при этом принадлежит подвижной форме химических элементов в почве. Корреляция между содержанием подвижной формы химического элемента в почве и насыщенностью этим элементом растительной ткани обычно прямая и чаще всего сильная.

Таблица 1 - Содержание тяжелых металлов на незагрязненных почвах (усредненные данные)

По абсолютному содержанию в растительном веществе тяжелые металлы можно разделить на четыре группы: элементы повышенной концентрации - Sr, Mn, Zn; средней - Cu, Ni, Pb, Cr; низкой - Mo, Cd, Se, Co, Sn; очень низкой - Hg. Уровень содержания большинства тяжелых металлов в растительной массе находится в прямой зависимости от их кларка. Исключение составляют Zn, Cd, Se, Cr.

Многочисленные исследования показывают, что химические элементы, в том числе и относящиеся к группе тяжелых металлов, распределяются по органам растений неравномерно. Это обусловливается многими причинами, например, аттрагирующей способностью определенного органа (органеллы), локальным накоплением в результате перехода в малоподвижную форму.

Авторы многих работ отмечают, что на незагрязненных почвах наименьшее количество тяжелых металлов свойственно органам запасания ассимиляторов (зерно, плоды, корне- и клубнеплоды и т.д.). Это обусловлено тем, что само назначение запасающих органов предопределяет невысокую их потребность в тяжелых металлах - биофилах.

По мнению А.П. Виноградова, на почвах геохимических аномалий возможно произрастание двух типов: концентрирующих тяжелые металлы в силу их повышенного содержания в почве и поглощающих большое их количество вследствие генетически закрепленной потребности.

Произрастающие на почвах геохимических аномалий растения могут бороться с избытком тяжелых металлов несколькими способами: 1) задерживать избыточные ионы в корнях или за пределами метаболически важных органов или структур, 2) снижать активность избыточных ионов путем перевода их в физиологически инертные формы, 3) создавать альтернативные реакции обмена, менее чувствительные к действию тяжелых металлов [1].

3.2 Микроэлементы в лесных ландшафтах бореальных лесов РФ загрязненных территорий

Увеличение содержания тяжелых металлов в почве ведет к возрастанию их концентрации в растениях. Об этом свидетельствуют многочисленные факты, выявленные при изучении растительности природных геохимических аномалий. То же самое прослеживается и при антропогенном загрязнении почв. Однако, если особенности произрастания растительности над выходами полиметаллических руд в основном рассматриваются с научной точки зрения как своеобразное природное явление, реакции растений на избыток тяжелых металлов при техногенном загрязнении вызывают большой практический интерес, поскольку техногенное загрязнение влияет на лесные массивы. Воздействие на них тяжелых металлов ухудшает рекреационные возможности местных ландшафтов, снижает продуктивность лесов.