О формировании потоков веществ в аэротехногенно трансформированном лесном ландшафте

В зоне гипергенеза под влиянием различных факторов происходят почвообразование, формирование состава подземных вод, вод рек и озер [1]. Состав вод начинает формироваться в атмосфере, процесс продолжается в почвах и горных породах до тех пор, пока вода не окажется в области разгрузки. В соответствии с этим выделяются три этапа формирования состава подземных (и поверхностных [2, с. 9]) вод: атмогенный, биогенный и литогенный [3]. На каждом этапе воды приобретают свой неповторимый облик [4]. Среди основных факторов формирования подземных вод С. Л. Шварцев выделил биологическую продуктивность ландшафта, а также почвы и тип разрушения органического вещества. Эти же факторы, очевидно, определяют особенности состава водотоков, дренирующих и природные (естественные), и техногенно нарушенные ландшафты. Биологические параметры продуктивности отражают состояние биогеоценоза и отклонение его от нормы [5]. В условиях техногенно загрязненной атмосферы лесные биогеоценозы трансформируются, последовательно переходят из одного состояния в другое, вплоть до состояния полного разрушения. Подобная трансформация лесных ландшафтов произошла в Кольском регионе в результате выбросов комбината "Североникель". В настоящее время этот комбинат называется "площадка Мончегорск" Кольской горно-металлургической компании (ГМК) ¹ .

В 1966 г. впервые было проведено опробование снегового покрова в северо-западной и центральной частях Мурманской области. Установлено, что воздействие дымов комбината "Североникель" – "аэротехногенное заражение", по терминологии ответственного исполнителя и руководителя работ В. И. Гуревича, – причина возникновения ложных геохимических аномалий. Исследователи не рекомендовали проведение гидрогеохимических поисков, а также, основываясь на результатах анализов сосновой хвои, биогеохимических поисков сульфидных медно-никелевых оруденений на участках, удаленных от г. Мончегорска к северу и югу менее чем на 15 и 30 км соответственно, 5 км – к востоку и 10 км – к западу [6; 7].

В 1966 г. видимые признаки повреждения растительности отмечались лишь на расстоянии 2 и 3 км в северном и южном направлениях от комбината "Североникель". К 1985–1986 гг. зона поврежденных лесов достигла 930 км ² , а на территории 37 км ² хвойные леса были полностью разрушены [8]. С 1990 г. комбинат "Североникель" последовательно снижал объемы выбросов SO 2 : с 232,5 тыс. т/год (в работе [8] – 287 тыс. т/год) до 45,8 – в 1999 г. В 2015 г. объем выбросов достиг 36,9 тыс. т ² . Снижение выбросов тяжелых металлов происходило не так резко, как SO ₂ . В 1990 г. в атмосферу поступило Cu и Ni соответственно 1 813 и 2 712 т, а в 1999 г. – 873,8 и 1127 т, в 2013 г. выбросы Cu достигли 523,8 т, Ni – 374,5 т (данные Кольской ГМК). Сократилась площадь поврежденных лесов – 474 км ² , но увеличилась площадь погибших (89 км ² ) ³ . Несмотря на то что к настоящему времени содержание загрязнителей (Cu и Ni) в выбросах комбината снизилось относительно 80–90-х годов прошлого века в несколько раз, в почве (органогенном горизонте) адекватного снижения Cu и Ni не отмечено. Состояние почвенного покрова не улучшилось [9].

В июле 2014 и 2016 гг. на территории водосбора оз. Имандра, подверженного воздействию выбросов Кольской ГМК, проводили работы по оценке современного состояния водоемов, водотоков и родниковых вод [10]. Одним из объектов опробования был ручей в 7 км от комбината "Североникель". На территории водосбора этого ручья в период наибольших объемов выбросов комбината (конец 80-х – начало 90-х годов прошлого века) проводились комплексные исследования, составной частью которых являлось изучение химического состава различных категорий природных вод [11–13].

В этой связи целесообразно сравнить состав вод ручья, дренирующего аэротехногенно трансформированный ландшафт в период наибольших объемов выбросов комбината "Североникель", с современным химическим составом вод этого ручья, провести ретроспективный анализ формирования потоков веществ в техногенном еловом редколесье и выявить влияние лесной подстилки разных стадий разложения на состав вод, инфильтрующихся в минеральные горизонты почв в период вегетации.

Материалы и методы

Отбор проб вод ручья, дренирующего аэротехногенно трансформированный ландшафт (7 км к ЮЮЗ от источника выбросов), проводили в июле 2014 и 2016 гг. Для сравнительного анализа из материалов, полученных в 1987–1990 гг., были выбраны гидрохимические показатели вод этого ручья, также относящиеся к периодам вегетации.

Для ретроспективного анализа формирования потоков веществ в техногенном еловом редколесье [14], располагавшемся на автономном участке территории водосбора ручья, использовали показатели химического состава атмосферных, подкроновых и почвенных вод. Лизиметры устанавливались под органогенным горизонтом почв (лесной подстилкой) с учетом структуры надземной части фитоценоза. В условиях холодного гумидного климата растительный опад, поступающий на поверхность почвы в таежных лесах, не успевает полностью разложиться. Постепенно растительные остатки накапливаются, образуя грубогумусный органогенный генетический почвенный горизонт. Этот горизонт (лесную подстилку) рассматривают как отдельный блок биогеоценоза [15]. В лесах, на северном пределе их произрастания, лесная подстилка является единственным аккумулятивным горизонтом почв и основным источником питательных веществ для растительности. В подстилке, как правило, расположена значительная часть корней растений, поглощающих элементы питания [15–17]. Около 70 % площади техногенного редколесья приходилось на долю вороничной (Вр) растительной группировки (РГ), 5 % занимала брусничная (Бр) РГ, около 10 % площади не покрыто растительностью [18]. В течение первого года исследований использовали по два лизиметра в виде полиэтиленовых поддонов (30 × 30 см) конструкции Е. И. Шиловой, которые были врезаны под подстилку этих РГ, затем лизиметры заменили на цилиндрические полиэтиленовые поддоны, диаметром 25 см, закрытые от бокового притока подстилочных вод.

Вороничная растительная группировка (Вр РГ) сформирована на валеже, стадию трансформации и зарастания которого можно охарактеризовать, воспользовавшись отчасти измененной шкалой из работы [19]: ствол теряет форму, на поверхности выделяется незначительное повышение. По степени разложения древесина представляет собой призмочки, кубики различной величины, а также волокнистый материал в составе почвенной подстилки. Мощность этого слоя (О) – 12 см. Брусничная РГ сформирована под старым, диаметром около 20 см, еловым сухостоем без коры и тонких ветвей. Под кроной росла только брусника. Подстилка Бр (О-горизонт почв) – бурая, однородная, мощностью около 14 см.

Кроме лизиметров, расположенных под органогенным горизонтом почв (лесной подстилкой), в межкроновых участках техногенного редколесья (7 км от комбината) установили три лизиметра, диаметром 30 см, представленные цилиндрами из нержавеющей стали с полиэтиленовыми поддонами [20]. "Особенности конструкции лизиметров определяют адекватность полученных с их помощью результатов природным явлениям. Применение изолированных лизиметров позволяет в наибольшей степени приблизиться к естественным условиям водной миграции веществ в почвах" [21, с. 143]. Использование цилиндрических лизиметров позволило получить инфильтрационные воды с минимальным нарушением структуры завалуненных почв и почвообразующих озерно-ледниковых отложений.

Два цилиндра были заложены на глубину 40 и 30 см в пустоши техногенной (Пт1 и Пт2), при этом С-горизонт – почвообразующие породы – отмечен соответственно на уровне 26 и 28 см от поверхности почвы. Монолиты этих лизиметров полностью охватывали разрушенную почву, минеральные слои которой покрывала темно-коричневая торфянистая подстилка мощностью 1,5–2 см. Третий цилиндр врезан в почву на глубину 30 см – на уровне переходной зоны от иллювиального горизонта к почвообразующей породе. Мощность подстилки, на которой росли кустарнички (вороника), составляла 9–10 см. С-горизонт на глубине 48–50 см представляет собой весьма влажный крупный песок и плохо окатанный гравий. Наполнитель обломочного материала – влажный суглинок. Сходный гранулометрический состав и физическое состояние отложений на этой площадке отмечены и в профиле Пт1 на глубине 40–50 см.

В техногенном еловом редколесье, примерно в трех метрах от сухостоя и почв Бр, опробовались воды, скапливающиеся в микропонижении на склоне, условно названные подпочвенными. Возможно, это был выход грунтовых вод или верховодки.

Фоновый (условно) ельник расположен в автономной позиции ландшафта в 100 км от комбината, в ЮВ части территории водосбора оз. Умбозеро. В прогалинах этого ельника под лесной подстилкой, доминирующей по площади РГ, кустарничково-зеленомошной (КЗм), были установлены четыре лизиметра и два – в подкроновом участке ели (ЕКЗм). Напочвенный покров КЗм РГ – это "подушка" мха с единичными экземплярами вороники и черники, мощность подстилки – 7 см. ЕКЗм РГ расположена под елью, где также выделяется "подушка" мха с единичными особями брусники, мощность органогенного горизонта подкронового подзола – 10 см. Почвообразующая порода – разнозернистые пески с гравием и валунами – ледниковые отложения.

В межкроновых участках техногенного редколесья и фонового ельника для сбора атмосферных выпадений рядом с лизиметрами были установлены полиэтиленовые воронки, соединенные с бутылями, заглубленными в почву. Для примерной оценки влияния сухой ели на состав вод органогенного горизонта почв под этим сухим деревом определяли количество (мг/л, мг/м ² ) химических элементов осаждений, поступающих в осадкоприемник под кроной сухостоя в один из осенних периодов (с 26.08.88 по 4.10.88 гг.). Количество химических компонентов (поток) – мг/м ² – это произведение количества воды – мм – и концентрации компонента в пробе.

Изучение химического состава природных вод периода наибольших объемов выбросов. Во всех исследуемых водах определяли: рН – потенциометрически; NO 3^– – ионоселективным электродом. Затем (после фильтрования через бумажный фильтр "синяя лента", как правило, только атмосферные и подкроновые воды) NH ₄ ⁺ – с реактивом Неслера (предварительная обработка по [22]); SO ₄ ^2– – турбидиметрическим методом; CI ^– – меркуриметрическим; фосфор общий, кремний – фотометрическое определение; углерод органический – с бихроматом калия по методикам, изложенным в [23]; K, Na, Ca, Mg, Cu, Ni, Fe, Mn, Zn, Al – методом атомно-эмиссионной и атомно-абсорбционной спектрометрии.

Изучение современного химического состава природных вод выполнено в Проблемной научноисследовательской лаборатории гидрогеохимии Научно-образовательного центра "Вода" Томского политехнического университета с использованием методов ионной хроматографии, титриметрии и потенциометрического титрования. Катионы и анионы, включающие NH 4⁺ , NO 2^– , NO 3^– , SO 4^2– , Cl ^– , PO 4^3– , Br ^– , Ca ²⁺ , Mg ²⁺ , Na ⁺ , K ⁺ , определяли методом ионной хроматографии на двухканальном безреагентном ионохроматографическом комплексе ICS-5000 с кондуктометрическим детектированием производства компании Dionex – Тhermo Scientific (США).

Определение органического углерода проводилось на анализаторе углерода Liquid TOC компании Elementar (Германия) с детектором инфракрасного излучения методом высокотемпературного каталитического окисления соединений углерода и разложения органического углерода до диоксида углерода (IV) (СО ₂ ). Окисление проводится в присутствии кислорода при температуре 800 °С.

Определение железа общего проводили фотометрическим методом с сульфосалициловой кислотой на спектрофотометре UNICO 2100 "ЮНИКО-СИС" (РФ, г. Санкт-Петербург).

Микрокомпонентный состав вод определялся масс-спектральным методом с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS) на приборе NexION 300 фирмы Perkin Elmer, США.

Расчет статистических параметров и построение графиков проводили с помощью Microsoft Excel 2003. Достоверность различий между выборками оценивали с помощью U-критерия Манна – Уитни (автоматический расчет U-критерия ⁴ ). Критерий позволяет выявлять различия между малыми выборками . Эмпирическое значение критерия U отражает, насколько велика зона совпадения между рядами. Чем меньше U эмп , тем более вероятно, что различия достоверны.

Результаты и обсуждение

Изменение состава атмосферных осадков в зависимости от состояния лесного ландшафта показано в табл. 1. В фоновом ельнике по сравнению с атмосферными осадками техногенного редколесья наблюдается повышение значений рН, увеличение концентраций С орг , иона аммония, фосфора, калия. В редколесье техногенный фактор определяет повышенные, по отношению к условно фоновым, содержания в атмосферных осадках Ni, Cu, Co, Fe, Al, Si и SO ₄ ^2– .

Воды, поступающие в лизиметр из-под подстилки, сформированной на валеже ели (Вр), имеют относительно низкие концентрации растворенных органических веществ – 7,8 мг/л, в отличие от вод органогенного слоя почв под еловым сухостоем (Бр: С _орг – 22,9 мг/л) в техногенном редколесье и подстилочных вод в условно фоновом ельнике (КЗм – 25,9 мг/л, ЕКЗм – 16,7 мг/л) (табл. 1). Воды подстилки на валеже (Вр) неокрашенные, почти бесцветные. Фульвокислоты (ФК) и низкомолекулярные органические кислоты могут быть бесцветными [24; 25].

Таблица 1. Изменение состава атмосферных осадков при формировании вод органогенных почвенных горизонтов в техногенном еловом редколесье и в условно фоновом ельнике

Table 1. Changes in the composition of atmospheric precipitation during the formation of litter waters in destroyed and background spruce forests

Пара-	Техногенное еловое редколесье, 7 км						Условный фон, 100 км
	МК*	Вр	Бр	МК**	ПК**	Бр2**	МК*	КЗм	ЕКЗм***
	Med	Med	Med	26.08.88–04.10.88 гг.			Med	Med	Med
мм	140	77	57	94	64	31	155	43	16
pH	4,44	3,7	3,48	4,55	3,33	3,25	4,90	4,34	4,65
SO 42–	5,8	41,2	68,3	5,1	44,4	69,0	2,30	0,20	8,9
Cl –	1,05	1,93	11,25	2,8	6,65	9,10	0,70	2,10	2,4
NO 3–	0,39	0,42	0,92	0,10	0,89	0,63	0,35	0,62	0,40
NH 4+	0,20	1,66	3,08	0,15	0,45	0,70	0,58	3,63	1,14
P	0,012	0,129	0,294	0,022	0,054	0,150	0,072	0,240	0,198
С орг	1,06	7,8	22,86	0,42	16,54	18,56	3,75	25,92	16,70
Ca	0,30	5,78	16,96	0,31	6,18	14,08	0,34	1,93	2,00
Mg	0,07	1,6	1,71	0,17	0,75	1,77	0,065	0,52	0,66
Na	0,26	0,56	4,08	0,32	1,93	1,33	0,34	0,42	1,59
K	0,07	2,68	5,51	0,10	0,90	3,32	0,18	3,45	2,9
Cu	0,540	0,127	1,868	0,419	2,340	2,704	0,003	0,006	0,009
Ni	0,279	0,240	4,700	0,161	1,800	3,608	0,002	0,008	0,010
Co	0,014	0,039	0,243	0,034	0,380	0,660	0,0005	0,000	0,0035
Mn	0,004	0,196	0,960	0,002	0,142	1,179	0,005	0,241	0,288
Fe	0,060	0,112	0,526	–	–	0,297	0,030	0,232	0,112
Zn	0,016	0,361	0,703	0,009	0,100	0,664	0,023	0,134	0,197
Al	0,081	0,670	1,020	0,001	0,316	0,832	0,001	0,425	0,341
Si	0,07	1,25	1,22	0,23	0,37	1,21	0,02	0,66	0,56

Примечание: содержания компонентов в водах, кроме pH, представлены в мг/л (здесь и в др. таблицах), med – медиана (четыре периода вегетации: июнь – август) содержаний компонентов в водах органогенных горизонтов почв: Вр (n = 6); Бр (n = 8); КЗм (n = 13); ЕКЗм (n = 5). МК* – состав атмосферных осадков в межкроновых участках; ** – сопряженный отбор атмосферных осадков в период с 26.08.88 по 4.10.88 гг. подкроновых осаждений сухостоя (ПК) и вод Бр2 органогенного горизонта почв, полученные с помощью цилиндрического поддона, установленного под кроной этого сухостоя; *** – содержание компонентов в водах органогенного горизонта почв под елью в условно-фоновом ельнике. Жирный шрифт – недостоверные различия между концентрациями компонентов в водах атмосферных и подстилки на валеже (Вр) в техногенном редколесье (объяснение – в тексте). Прочерк – нет данных (здесь и в др. таблицах). Мм – количество воды.

В наших исследованиях специфика С орг в водах органогенного горизонта (подстилки) Вр в период вегетации проявляется в увеличении содержания при pH от 3,55 до 3,84 (рис. 1, b), при этом высокие концентрации Ca, Mg, K соответствуют низким значениям С _орг (рис. 1, d). Также для вод подстилки Вр, сформированной на валеже, получены аналогичные (отрицательные) корреляционные зависимости между С орг и содержаниями Cu (r = –0,456), Ni (–0,749), Co (–0,366), Mn (–0,446) и Al (–0,636). Не зная состава растворенного органического вещества, сложно объяснить подобное поведение Ca, Mg, K и микроэлементов. На этой стадии разложения валежа (см. "Материалы и методы") в лизиметрических водах подстилки Вр концентрация сульфат-иона в 5 раз превышает содержание растворенных органических веществ и, как показано на рис. 1, а, с, миграция макрокатионов происходит совместно с SO ₄ ^2– .

Содержания всех компонентов химического состава вод Вр превышают концентрации в атмосферных осадках (МК), за исключением NO 3^– , Fe, Co, Ni. Для Cl ^– и Na ⁺ незначительное превышение концентраций (медиана – табл. 1) подтверждает U-критерий Манна – Уитни (p < 0,05), однако потоки (мг/м ² ) Cl ^– и Na ⁺ , поступающие с атмосферными осадками и выносимые из подстилки Вр, не различаются: U эмп = 7 > U крит0.05 = 1 – для Cl ^– и U эмп = 14 > U крит0.05 = 5 – для Na ⁺ .

a

c

f

о

3,5       3,6       3,7       3,8       3,9

pH

b

3,5        3,6        3,7        3,8        3,9

pH

10       30       50        70

SO 4 ² , мг/л

Ca

Mg K

d

Ca Mg K

3          8         13         18         23

Сорг, мг/л

Рис. 1. Зависимости содержаний С орг , SO 4^2– , Ca, Mg, K и значений pH в водах лесной подстилки, сформированной на валеже (Вр) Fig. 1. Dependences of the contents of C org , SO 4^2– , Ca, Mg, K and pH values in the waters of the forest litter formed on the fallen tree (Bp)

Снижение концентраций (медиана) Ni в водах подстилки на валеже Вр (0,240 мг/л) по сравнению с Ni в атмосферных осадках (0,279 мг/л) не является достоверным. Однако значимое (U эмп = 3 < U крит0.05 = 4) уменьшение потока Ni (18,48 мг/м ² ) из подстилки Вр по сравнению с потоком Ni из атмосферы (39,06 мг/м ² ) указывает на то, что Ni тем не менее закрепляется в подстилке на валеже. Не вызывает сомнений поглощение подстилкой меди. Поток Cu из подстилки на валеже Вр (9,78 мг/м ² ) почти в 8 раз меньше атмосферного потока Cu (75,6 мг/м ² ). Эту же тенденцию отражает изменение отношений концентраций меди и никеля – Cu/Ni. Так, в течение 4 периодов вегетации в атмосферных выпадениях концентрация (медиана) Cu почти в 2 раза превышала концентрацию Ni, а в водах, поступающих из подстилки Вр в минеральные горизонты почв, отношение Cu/Ni – 0,5 (из табл. 1).

Воды подстилки – О-горизонт почв под еловым сухостоем (Бр), также как и воды подстилки, сформированной на валеже (Вр), являются кислыми: значения pH изменяются от 3,38 до 3,63. Бурый цвет вод рыхлой и однородной (по структуре) подстилки Бр изменялся в зависимости от количества поступающих в подстилку осадков. Так, например, для одного из лизиметров в водах подстилки Бр концентрация С _орг составила 11,3 мг/л при количестве просочившейся влаги 116 мм, а при 36 мм влаги С _орг – 99,7 мг/л.

Содержание почти всех компонентов в водах О-горизонта почвы Бр многократно превышают их концентрации в атмосферных осадках. Однако для получения вод, просочившихся через подстилку Бр РГ, лизиметры были установлены под кроной старого сухостоя без коры и тонких ветвей. Состав же подкроновых выпадений является результатом сорбционного концентрирования и последующего смывания и/или вымывания элементов при взаимодействии собственно осадков с кроной этого елового сухостоя. Как показали результаты единичного (в период с 26.08.88 по 4.10.88 гг.) единовременного опробования вод подстилки и подкроновых осаждений, состав вод подстилки Бр под еловым сухостоем в целом близок составу подкроновых осаждений (табл. 1). Наибольшее превышение концентраций (в 3–8 раз) в водах подстилки Бр по сравнению с подкроновыми водами показали K, Mn, Zn и Si.

Рис. 2. Зависимости содержаний SO 4^2– , Ca, Mg, Ni, Al и С орг , K, Cu, P, Si в водах лесной подстилки (Бр), сформированной под еловым сухостоем Fig. 2. Dependences of the contents of SO 4^2– , Ca, Mg, Ni, Al and C org , K, Cu, P, Si in the forest litter (Бр) formed under spruce deadwood

Среди анионов минеральных кислот (медиана) в водах подстилки Бр доминирует сульфат-ион. Превышение содержаний (мг/л) SO ₄ ^2– и С _орг в подстилочных водах по сравнению с концентрациями этих компонентов в подкроновых водах несущественно.

Растворимое органическое вещество (С _орг ) в водах лесной подстилки (Бр), сформированной под сухостоем, ассоциировано с K, Cu, P, Si (рис. 2, b, d), а вынос сульфат-иона связан с Ca, Mg, Ni, Al (рис. 2, a, c). Следует отметить, что даже сухая крона сорбирует медь. Это показывает последовательное изменение отношений концентраций меди и никеля (Cu/Ni) в атмосферных, подкроновых и подстилочных водах: 2,6; 1,3; 0,75 (табл. 1, период с 26.08.88 по 4.10.88 гг.).

В водах подстилки под сухостоем (брусничная РГ) никеля и меди содержалось соответственно в 500 и 300 раз больше, чем в водах О-горизонта почв в условно-фоновом ельнике (табл. 1). Потоки этих элементов, поступающие в минеральные горизонты почвы Бр, значительно различаются.

Cu, Ni, Co входят в группу наиболее ядовитых микроэлементов как для высших растений, так и для ряда микроорганизмов [26]. Оценка токсичных концентраций и действия микроэлементов на растения очень сложна. Са, Р и Mg – главные антагонистические элементы, которые могут ингибировать поглощение микроэлемента, или, наоборот, микроэлемент ингибирует поглощение макрокомпонента [26]. Концентрации меди и никеля, которые в водах подстилки Бр являются макрокомпонентами, в течение четырех периодов вегетации изменялись соответственно от 1,39 до 3,3 мг/л и от 2,29 до 9,90 мг/л. При этом концентрации макрокомпонентов были близки или многократно превышали содержание меди и никеля. Например, концентрации Ca изменялись от 5,25 до 52,29 мг/л, Mg – от 1,21 до 4,33 мг/л, K – от 3,69 до 9,01 мг/л, SO 4^2– – от 42,7 до 145,0 мг/л.

Материалы полевых опытов, проводившихся под руководством Г. А. Евдокимовой [27], свидетельствуют о сильном влиянии ионов Ca на биогенную миграцию Cu и Ni. На почвах, подверженных воздействию выбросов комбината "Североникель", идентичных по уровню загрязнения, но имеющих разные отношения суммарного содержания обменных катионов к валовому содержанию меди или никеля: (Ca + Mg)/Cu (или Ni), различается биомасса растений и ее качество. Результаты наших исследований химического состава вод подстилки Бр позволяют предположить, что кальций играет важную роль в снижении токсичности Cu и Ni для растений. Так, при содержаниях (медиана) Са, превосходящих Cu и Ni в 9 и 4 раза соответственно, в водах, просачивающихся через лесную подстилку, на ней могут произрастать некоторые кустарничковые формы растений (брусника), даже если медь и никель в данном случае являются макрокомпонентами и в сотни раз превосходят их фоновые концентрации.

Ретроспективный анализ формирования потоков веществ в техногенном еловом редколесье и влияния лесной подстилки разных стадий разложения на состав вод, инфильтрующихся в минеральные горизонты почв в период вегетации, позволяет сделать предположение относительно роли отпада и валежа на склонах в зоне интенсивного воздействия пылегазовых выбросов предприятий Кольской ГМК (промплощадка Мончегорск). В настоящее время некоторые пологие склоны возвышенностей в этой зоне покрыты стволами погибших хвойных деревьев. Лежащие на одном из таких склонов стволы (рис. 3) являются протекторами почвы от загрязняющих веществ, как это показало сопоставление количества Cu (менее значительно – Ni), содержащегося в водах из-под подстилки на валеже и из атмосферы. Отпад, по мере его гумификации и минерализации, может быть источником питательных элементов для растений, даже если по уровню концентраций в инфильтрующихся водах тяжелые металлы являются макрокомпонентами. При этом важно, как показали исследования, чтобы содержания элементов питания растений (Ca, Mg, K) в водах органогенного горизонта почв превышали в несколько раз концентрации Cu и Ni. Однако это возможно, если есть условия для просачивания и задержки атмосферных осадков, например наличие на пологом склоне микропонижений, стволового отпада, не смытой лесной подстилки (рис. 3). В зоне интенсивного воздействия выбросов на крутых склонах, где разрушен даже напочвенный покров, а почва эродирована до минеральных горизонтов и соответственно, нет условий для удерживания влаги в биологически активной области ландшафта, без мелиоративных мероприятий развитие растительности невозможно.

Рис. 3. Погибший хвойный лес на склоне, 2 км в ЗЮЗ направлении от комбината, июль 2016 г.

Фото З. А. Евтюгиной

Fig. 3. The dead coniferous forest on the hillside, 2 km WSW direction from the smelter, July 2016.

Photo by Z. A. Evtyugina

Чтобы проследить, как изменяется состав вод, просачивающихся через почвы и почвообразующие породы и поступающих в водоток аэротехногенно трансформированного ландшафта, рассмотрим состав инфильтрационных вод (табл. 2) и химический состав вод ручья (микроручья, шириной 30–50 см), дренирующего этот ландшафт.

Инфильтрационные воды, условно названные подпочвенными, отбирались в микропонижении на склоне в 3 м от лизиметров Бр, расположенных на высоте около 1,5 м. Воды, скапливающиеся в микропонижении, возможно, представляют собой выход грунтовых вод или верховодки. Это предположение основано на том, что при установке на автономном участке ландшафта цилиндрических лизиметров для отбора инфильтрационных (почвенных) вод кустарничковой РГ и вод пустоши техногенной (напочвенный покров разрушен – кустарнички погибли) на глубине около 50 см вскрыт весьма влажный крупный песок и плохо окатанный гравий. Наполнитель обломочного материала – влажный суглинок.

Детальные исследования, основанные на лизиметрических экспериментах, показывают, что каждый почвенный профиль с хорошо развитыми горизонтами имеет свои собственные характеристики движения микроэлементов [26]. Это утверждение наиболее ярко проявляется при сопоставлении химических составов вод, просочившихся через почвенный профиль кустарничковой растительной группировки и профиль пустоши техногенной (табл. 2).

В целом состав инфильтрационных вод (медианные значения), отбиравшихся в период вегетации, незначительно отличается от показанного ранее [28] среднегодового химического состава почвенных вод кустарничковой РГ и пустоши техногенной.

Примечательно, что катионно-анионный состав вод в микропонижении близок составу инфильтрационных (почвенных) вод кустарничковой РГ, отбиравшихся на уровне слоя ВС (табл. 2), за исключением повышенных концентраций иона аммония, кремния и относительно низких содержаний калия.

Таблица 2. Статистические параметры инфильтрационных и подпочвенных вод в микропонижении на склоне в аэротехногенно трансформированном ландшафте (7 км ЮЮЗ от промплощадки Мончегорск

Кольской ГМК) в течение четырех вегетационных периодов при наибольших объемах выбросов

Table 2. Statistical parameters of infiltration and subsoil waters in the microdepression on the slope in the aerotechnologically transformed landscape (7 km southwest from Monchegorsk site) during the four growing seasons with the largest amount of emissions

Параметр	Почвенные воды кустарничковой РГ (цилиндрический лизиметр)			Воды пустоши техногенной – Пт1 (цилиндрический лизиметр)			Подпочвенные воды* в микропонижении на склоне
	Med	Min	Max	Med	Min	Max	Med	Min	Max
мм	97	38	101	65	14	133
С орг	3,37	1,14	4,32	2,86	2,29	4,32	1,56	1,25	3,23
pH	5,39	5,12	5,95	4,72	4,65	4,76	5,39	5,05	5,82
SO 42–	19,50	17,20	19,70	19,10	14,70	19,50	22,00	19,5	24,8
Cl	2,48	1,77	3,50	2,83	2,80	3,50	2,29	2,10	3,50
NO 3–	0,240	0,124	0,600	3,100	0,324	3,250	0,295	0,028	0,500
NH 4+	0,083	0,070	1,380	1,210	0,072	1,860	0,680	0,050	1,420
P	0,001	0,0005	0,034	0,024	0,011	0,040	0,009	0,0005	0,022
Ca	5,25	4,41	5,72	3,55	2,86	5,78	5,49	4,71	6,00
Mg	1,25	1,14	1,54	0,9	0,63	1,23	1,62	1,26	1,72
Na	1,97	1,29	2,11	1,18	1,14	1,27	1,84	1,77	2,14
K	1,07	0,27	1,12	1,43	1,43	2,31	0,21	0,15	0,27
Cu	0,004	0,002	0,012	0,135	0,030	0,394	0,030	0,005	0,054
Ni	0,016	0,014	0,124	0,930	0,850	1,186	0,075	0,037	0,111
Co	0,011	0,003	0,020	0,050	0,036	0,150	0,005	0,0005	0,040
Mn	0,082	0,030	0,099	0,127	0,030	0,142	0,022	0,011	0,032
Fe	0,023	0,002	0,041	0,039	0,021	0,079	0,062	0,026	0,078
Zn	0,118	0,062	0,269	0,429	0,400	0,812	0,037	0,012	0,065
Al	0,063	0,050	0,260	1,050	0,855	1,192	0,106	0,008	0,204
Si	2,24	1,68	2,47	2,33	2,29	2,71	4,14	3,34	5,85
HCO 3–	0,49	0,01	0,60	–	–	–	–	–	–

Примечание: * – воды, условно названные подпочвенными, в микропонижении на склоне в 3 м от лизиметров Бр.

Современный химический состав вод ручья отличается от параметров состава вод периода наибольших объемов выбросов (табл. 3).

В водах ручья, дренирующего аэротехногенно трансформированный ландшафт, произошло снижение содержаний сульфат-, хлорид-ионов и калия, увеличилась концентрация гидрокарбонат-иона и кремния. Несмотря на снижение содержаний меди и никеля в атмосферных осадках в 2000–2010 гг. (по сравнению с 1987–1990 гг.) в 13 и 5 раз соответственно (табл. 1 и 2), в водах ручья концентрации Cu и Ni, а также Al, Fe, Mn согласно критерию Манна – Уитни не изменились. Вероятно, это произошло из-за того, что увеличились размеры техногенных пустошей в автономных позициях дренируемого ландшафта, т. е. участков, на которых погибли не только деревья, но и разрушился напочвенный покров. Разрушенная почва (пустошь) является своего рода источником меди и никеля (табл. 2), других микрокомпонентов в почвенных водах, генетически связанных с водами ручья. Возможно, это обстоятельство объясняет отсутствие различий содержаний тяжелых металлов и алюминия в ручье в период наибольших объемов выбросов и при снижении техногенной нагрузки.

Таблица 3. Изменение концентраций компонентов в поверхностных водах при уменьшении техногенной нагрузки

Table 3. Changes of surface waters components concentrations with the decrease of atmospheric pollution load

Параметр	Ручей, июнь – август 1987–1990 гг.			Ручей, июль 2014, 2016 гг.			МК***
	Med	Min	Max	2014 г.*	2014 г.**	2016 г.*	Med
pH	6,63	6,57	6,78	6,73	6,69	6,90	4,03
C орг	1,87	0,39	2,45	–	–	3,92	4,29
NO 3–	0,425	0,082	0,800	0,17	<0,02	<0,1	0,10
NH 4+	0,199	0,140	1,560	0,068	0,05	2,78	0,221
P	0,003	0,001	0,010	0,0046	0,013	0,0005	0,006
HCO 3–	5,81	4,20	12,20	18,3	19,5	11,6	–
SO 42–	16,45	13,60	18,90	7,27	8,05	7,30	4,72
Cl –	2,47	1,77	3,85	1,08	1,39	1,00	0,67
Ca	5,48	5,09	5,92	6,18	6,15	5,40	0,88
Mg	1,17	1,09	1,23	1,57	1,63	1,00	0,19
Na	2,03	1,77	2,05	2,12	2,19	1,90	0,45
K	0,17	0,16	0,17	0,075	0,16	0,07	0,15
Si	2,71	2,18	4,20	4,24	4,38	4,74	0,031
Al	0,0010	0,0005	0,0160	0,0332	0,0032	0,0173	0,0236
Fe	0,0100	0,0070	0,1890	0,08	0,12	0,018	0,0109
Mn	0,0024	0,0001	0,0050	0,0028	0,0004	0,0007	0,0028
Co	0,0026	0,0005	0,0070	0,0003	0,00003	0,0001	0,00166
Cu	0,014	0,0063	0,0198	0,018	0,020	0,017	0,0429
Ni	0,0603	0,0410	0,0860	0,046	0,038	0,045	0,0523
Zn	0,0075	0,0024	0,0130	0,0019	0,0018	0,0020	0,0041
Sr	–	–	–	0,01475	0,01532	0,01403	0,00785
Cd	–	–	–	0,00004	0,00001	0,00004	0,0001
Pb	–	–	–	0,00011	<0,00002	0,00005	0,00031
Cr	–	–	–	0,00034	0,00019	0,00028	0,0005

Примечание: * – точка отбора проб № 1; ** – точка отбора проб № 2 – примерно в 20 м от точки № 1 выше по течению; МК*** – состав атмосферных осадков [29] в межкроновых участках техногенного редколесья (n = 34; июнь – октябрь 2000–2010 гг.).

Заключение

В настоящее время на автоморфных участках ландшафта в техногенном редколесье почти все хвойные деревья погибли – остались единичные особи, но возросло количество лиственных деревьев и кустарников высотой 1,5–3 м. Встречаются ветровальные ели без коры и мелких ветвей, не имеющие визуальных признаков гниения. Напочвенный покров трансформировался, увеличилась площадь, на которой органогенный горизонт почв (лесная подстилка) смыт талыми и дождевыми водами. Почва эродирована до минеральных горизонтов. На пологих склонах долины ручья, примыкающих к пушицевому болоту, произрастают ель, ерник, кустарниковые формы ив и берез. Такому развитию растительности, возможно, способствует поступление питательных элементов с внутрипочвенным склоновым стоком. Ранее было показано, что ельники, функционирующие в транзитных ландшафтах, имеют бóльшую массу "живого вещества", чем в автономных, за счет поступления питательных веществ с боковым поверхностным и внутрипочвенным стоком [15].

Когда лесная подстилка не получает свежего опада вследствие разрушения древесного яруса и напочвенного покрова, то органогенный горизонт уже не скрепляется живыми корнями и со временем становится бесструктурным органическим материалом, который смывается талыми и дождевыми водами с возвышенных участков рельефа и скапливается в микропонижениях. В таких местах (при отсутствии застойного увлажнения) органический материал может быть источником питательных веществ для растительности, даже если в просачивающихся через эти скопления водах содержания меди и никеля в сотни раз превышают их фоновые показатели, а также при условии многократного доминирования концентрации кальция над содержанием Cu и Ni в этих водах. Рекогносцировочное обследование территории в 2014 и 2016 гг. показало, что в зоне разрушенных лесов и техногенных пустошей, как правило, где есть проточная вода и существуют выходы подземных вод в виде родников, развивается растительность, начинается возобновление лиственных и хвойных пород деревьев.