Технофильные элементы в особо охраняемых экосистемах западноуральской тайги
Автор: Бахарев Павел Николаевич, Ворончихина Евгения Александровна, Ильиных Сергей Иванович, Лоскутова Надежда Михайловна
Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc
Рубрика: Особо охраняемые природные территории
Статья в выпуске: 1-8 т.14, 2012 года.
Бесплатный доступ
Представлены результаты биогеохимического мониторинга за период 1994-2011 гг., выполняемого в рамках программы летописи природы на территории западноуральских горно-таежных заповедников «Басеги» и «Вишерский» (Пермский край). Основное внимание уделено накоплению технофильных химических элементов в компонентах экосистем. Установлена зависимость техногенного давления на особо охраняемые экосистемы от регионального уровня хозяйственной активности, свидетельствующая о ведущей роли в техногенной нагрузке местных источников загрязнения.
Таежные экосистемы, природные компоненты, химический состав, технофильные элементы, биогеохимические процессы
Короткий адрес: https://sciup.org/148201018
IDR: 148201018
Текст научной статьи Технофильные элементы в особо охраняемых экосистемах западноуральской тайги
Западный Урал, в промышленной части которого созданы государственные природные заповедники (ГПЗ) «Басеги» и «Вишерский». Рассматриваемые природно-территориальные образования характеризуются сходством первичных природных условий – они охраняют горнотаежные экосистемы, однотипные по климатическому режиму, геологическим, биологическим характеристикам – но различаются удаленностью от источников техногенного атмохимиче-ского рассеивания и, как следствие, по уровню хозяйственного воздействия.
В научные программы заповедников включен раздел биогеохимического мониторинга, целью которого является контроль атмохи-мической нагрузки с оценкой ответных реакций биотических компонентов на техногенное давление, формирующееся вследствие выпадения технофильных элементов на охраняемую территорию. Наблюдения выполняются по стандартным методикам [1, 2], включающим отбор и химические анализы природных субстратов (снега, почв, фитомассы) на стационарных площадках. Аналитические дан-ные систематизируются по принципу «время-место-компонент» и позволяют оценивать техногенную нагрузку в разрезе годовых и многолетних интервалов времени с учетом ее экосистемной принадлежности. Оценка атмохимического воздействия сопровождается контролем состояний почвенного и растительного покрова. Банк данных, сформированный за период наблюдений, позволяет перейти к анализу накопленной информации. В обобщенном виде результаты оценки атмохимической нагрузки, выраженные суммарным объемом технофильных элементов, поступающих в охраняемые резерваты с воздушными потоками, представлены ниже на рис. 1 и в таблицах 1-3.
Количественные характеристики атмохи-мической нагрузки свидетельствуют о неоднородности техногенного влияния на рассматриваемые природные объекты в пространственном и временном аспектах. Это наглядно иллюстрирует приведенная ниже диаграмма средних годовых объемов атмосферного выпадения химических элементов на заповедные территории.
В связи с отсутствием официальных количественных показателей для оценки суммарной атмохимической нагрузки при интерпретации результатов наблюдений использованы базовые показатели, полученные расчетным путем: ФУ – фоновый уровень атмохими-ческой нагрузки; РО – расчетный объем естественного атмосферного выпадения химических элементов. Первый показатель – ФУ – рассчитан по элементному составу атмосферной пыли в европейской России [3] с учетом среднего годового объема ее выпадения в границах заповедников. Значения второго показателя – РО – являются производными от объема минеральной пыли, поступающей в воздушную среду вследствие природного источника – дефляции почвенного субстрата. Оба показателя, полученные расчетным путем, для значительной части элементов в составе атмохими-ческой нагрузки имеют близкие количественные значения, что подтверждает их объективность (табл. 1).
Рис. 1. Расчетный, нормативный (фоновый) и фактический среднегодовые объемы выпадения технофильных элементов из атмосферы на особо охраняемые горно-таежные территории Западного Урала
Таблица 1. Состав элементов и их концентрация в атмохимических потоках, поступающих в охраняемые экосистемы
|
Элемент |
Расчетный объем естественного рассеивания (РО), г/га в год |
Фоновый уровень (ФУ) [3], г/га в год |
Средняя за пятилетия кратность превышения расчетных показателей РО/ФУ фактическим объемом технофиль-ных элементов, поступающих в охраняемые экосистемы |
|||||
|
ГПЗ «Басеги» |
ГПЗ «Вишерский» |
|||||||
|
19951999 |
20002004 |
20052009 |
20102011 |
19951999 |
2010 - 2011 |
|||
|
As |
7,71 |
0,00 |
0/0 |
0,3/0 |
0,2/0 |
1,8/0 |
0/0 |
0/0 |
|
Be |
3,59 |
0,00 |
0,1/0 |
0,1/0 |
0,2/0 |
0/0 |
0,03/0 |
0/0 |
|
Cd |
0,31 |
0,30 |
0,8/0,9 |
9,1/9,2 |
4,5/4,6 |
7,7/7,8 |
0/0 |
5,8/5,9 |
|
Pb |
23,92 |
53,82 |
2,7/1,2 |
9,1/4,1 |
6,0/2,7 |
1,2/0,5 |
0,9/0,4 |
0,3/0,2 |
|
Zn |
50,23 |
364,78 |
15,6/2,2 |
53,5/7,3 |
42,3/5,8 |
5,4/0,7 |
7,2/1,0 |
9,9/1,5 |
|
Sb |
2,99 |
0,00 |
0,3/0 |
0,8/0 |
1,1/0 |
1,1/0 |
0/0 |
1,2/0 |
|
Ni |
65,78 |
34,09 |
0,6/1,1 |
1,1/2,1 |
0,5/1,0 |
0,2/0,5 |
0,1/0,3 |
0,2/0,5 |
|
Cu |
17,94 |
59,80 |
3,1/0,9 |
17,5/5,3 |
5,6/1,7 |
4,5/1,4 |
0,7/0,5 |
4,3/1,4 |
|
Cr |
56,21 |
31,10 |
2,1/3,7 |
8,1/14,7 |
3,2/5,8 |
0,1/0,5 |
0,5/0,9 |
0,1/0,2 |
|
Sr |
227,24 |
0,00 |
0,1/0 |
0,5/08 |
1,9/0 |
0,3/0 |
0,2/0 |
0,9/0 |
|
V |
59,80 |
29,90 |
0,5/0,9 |
2,1/4,1 |
2,6/5,1 |
0,2/0,4 |
0,2/0,4 |
0,1/0,2 |
|
Mn |
508,30 |
310,96 |
1,1/1,7 |
2,3/3,7 |
0,9/1,5 |
1,1/1,8 |
0,5/0,7 |
0,9/1,4 |
Сравнительный анализ расчетных и фактических данных свидетельствует, что в начальный период наблюдений (в 1995-1999 гг.) атмо-химические потоки, поступающие в ГПЗ «Басе-ги», имели более высокую элементную насыщенность по сравнению с теми, которые распространялись на ГПЗ «Вишерский». Их состав выражался геохимической ассоциацией с доминированием цинка, объем атмосферного поступления которого в экосистемы ГПЗ «Басеги» в среднегодовом выражении в 16 раз превышал расчетный фоновый показатель РО: Zn 16/2 > Pb3/1 > Cr2/4 > Cu3/1 > Mn, V, Ni …На протяжении того же пятилетия (1995-1999 гг.) объем выпадения технофильных элементов в ГПЗ «Вишерский» был на уровне или ниже расчетных фоновых показателей, свидетельствуя о естественном геохимическом режиме развития горно-таежных экосистем.
В конце 90-х гг. ситуация начала меняться. Суммарный объем атмосферного поступления химических элементов на территорию ГПЗ «Ба-сеги» увеличился в разы и держался на высоком уровне до 2007 г. Наиболее напряженным был 2004 г., когда суммарный объем выпадения тех-нофильных элементов достиг 7528,7 г/га (при фоновой норме 1024,0 г/га). В последующие годы наметилась тенденция к снижению нагрузки, которая в ГПЗ «Басеги» продолжается до настоящего времени. В 2010-2011 гг. в противовес сокращению объема атмохимического рассеивания, характерного для ГПЗ «Басеги», зафиксировано нарастание техногенной нагрузки на экосистемы ГПЗ «Вишерский». Наиболее существенную роль в этом сыграло увеличение концентрации цинка в атмохимическом потоке (см. в табл.1). Изменения проявились не только в объемах выпадения элементов, но и в структуре нагрузки, обусловившей различия геохимических ассоциаций:
-
• в ГПЗ «Басеги» – Cd 8/8 > Zn 5/1 > Cu 5/1 > Mn 1/2 > As 2 > Pb, Cr,V…
-
• в ГПЗ «Вишерский» – Zn 10/2 > Cd 6/6 > Cu 4/1 > Mn 1 > Pb, Cr,V…
Изменение состава технофильных элементов в атмохимической нагрузке и увеличение объемов рассеивания в ГПЗ «Вишерский»
свидетельствуют о смещении техногенного ареала в северном направлении. По времени проявления изменения совпали с активизацией освоения запасов северной части Верхнекамского месторождения ископаемых солей, поэтому могут рассматриваться как следствие региональной хозяйственной деятельности.
Специфику выявленных геохимических ассоциаций определяют тяжелые металлы. Их экологическая опасность обусловлена склонностью к биопоглощению и устойчивостью в природной среде, поэтому даже небольшие по объему, но длительные по времени атмохимические нагрузки могут привести к формированию техногенных геохимических аномалий с необратимыми экологическими деформациями. Роль важнейшего природного субстрата, аккумулирующего технофильные элементы, играет насыщенный органическим веществом верхний слой почвы, включающий генетические горизонты А 0 (подстилка) и А 1 А 2 (гумусово-аккумулятивный). При равной атмохимической нагрузке адсорбционной емкостью именно этого биогеохимического барьера определяется возможность формирования очага загрязнения, поэтому программой мониторинга предусмотрен контроль аккумуляции элементов в почвенном субстрате (табл. 2).
Таблица 2. Среднее за пятилетия содержание элементов в почвенном субстрате, в мг/кг сухой почвы
|
Элемент |
Кларк для почв [6] |
ГПЗ «Басеги» |
ГПЗ «Вишерский» |
||||||
|
1995-2000 гг. |
2006-2010 гг. |
1995-2000 гг. |
2006-2010 гг. |
||||||
|
А 0 |
А1А2 |
А 0 |
А1А2 |
А 0 |
А1А2 |
А 0 |
А1А2 |
||
|
As |
12,00 |
0,00 |
0,00 |
2,97 |
2,41 |
0,00 |
0,00 |
3,33 |
2,23 |
|
Be |
6,00 |
0,61 |
0,87 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0,95 |
1,60 |
|
Cd |
0,52 |
0,31 |
0,16 |
0,37 |
0,41 |
0,00 |
0,00 |
0,34 |
0,23 |
|
Pb |
40,00 |
38,35 |
26,51 |
31,70 |
32,84 |
18,56 |
18,01 |
24,58 |
17,36 |
|
Zn |
84,00 |
105,17 |
102,58 |
251,62 |
128,98 |
71,18 |
67,93 |
76,72 |
68,25 |
|
Sb |
5,00 |
0,00 |
0,00 |
1,44 |
1,37 |
0,13 |
0,21 |
0,78 |
0,47 |
|
Ni |
110,00 |
20,71 |
31,25 |
42,68 |
40,16 |
19,43 |
29,06 |
18,92 |
29,13 |
|
Cu |
30,00 |
24,18 |
31,83 |
25,43 |
34,91 |
11,32 |
19,21 |
13,28 |
18,33 |
|
Cr |
94,00 |
59,10 |
121,58 |
92,43 |
162,03 |
36,91 |
69,64 |
49,22 |
87,53 |
|
Sr |
380,00 |
47,00 |
98,16 |
68,31 |
102,17 |
49,77 |
54,17 |
88,89 |
72,48 |
|
V |
100,00 |
36,83 |
93,17 |
90,36 |
116,78 |
73,56 |
97,15 |
71,98 |
97,76 |
|
Mn |
850,00 |
1275,00 |
1218,85 |
2139,00 |
2112,00 |
864,17 |
733,90 |
1000,14 |
807,80 |
|
Всего |
1776,52 |
1607,36 |
1724,96 |
2746,31 |
2734,06 |
1177,54 |
1089,29 |
1349,13 |
1203,17 |
Наблюдения выявили почвенную аккумуляцию технофильных элементов в ГПЗ «Басеги», где суммарная элементная насыщенность почв к 2010 г. относительно 1995 г. увеличилась в полтора раза. В составе накапливающихся элементов преобладает цинк с коэффициентом концентрации 2,98 (в горизонте А0), 1,54 (в горизонте А1А2). Столь существенное превышение элементной насыщенности верхнего почвенного горизонта над ниже расположенным свидетельствует об атмосферном поступлении цинка в почву. В текущий период (2010-2011 гг.) почвенно-геохимическая ассоциация элементов включает: Zn3,0>Mn 2,5 > Cr1,7 > Cu, V1,2 >Cd 1>Pb, Ni, As…Существенные отличия почвенногеохимической ассоциации элементов от атмо-химической являются результатом пролонгиро-ванности последствий техногенного рассеивания предыдущих лет, которое привело к устойчивому обогащению почвенно-биотических компонентов охраняемых экосистем цинком и марганцем. Пролонгированность техногенного давления на экосистемы отчетливо проявляется при сопоставлении уровней нагрузки на компоненты экосистем, рассчитанных по суммарному показателю химического загрязнения - ZC [4, 5].
Значения ZC свидетельствуют, что снижение объемов атмохимического выпадения элементов не сопровождается уменьшением их концентрации в почвах и растительности (табл. 3).
Таблица 3. Оценка экологической нагрузки на компоненты охраняемых экосистем по суммарному показателю загрязнения (Z C )
|
Природные компоненты |
Средние для пятилетий значения Z C (предел нормы 16,0) |
|||||
|
ГПЗ «Басеги» |
ГПЗ «Вишерский» |
|||||
|
19951999 |
20002004 |
20052009 |
20102011 |
19951999 |
20102011 |
|
|
атмосферные осадки (пыль) |
13,0 |
60,5 |
32,5 |
13,0 |
3,5 |
12,5 |
|
почва |
1,6 |
2,1 |
2,7 |
3,1 |
1,0 |
1,2 |
|
растительность (листва Betula pubescens) |
2,1 |
2,9 |
2,9 |
2,7 |
1,5 |
2,9 |
Выводы: наблюдения показали, что рассматриваемые экосистемы, несмотря на изъятие из хозяйственного оборота, испытывают существенную техногенную нагрузку вследствие ат-мохимического переноса загрязнителей. Уровень нагрузки определяется близостью источников техногенного рассеивания и в наибольшей степени проявился в экосистемах ГПЗ «Басеги», длительное время находившегося в ареале рассеивания объектов добычи и переработки углей Кизеловского бассейна и других промышленных объектов. Атмохимическое воздействие, оцененное по показателю ZC применительно к содержанию технофильных элементов в атмосферных потоках, за годы наблюдений менялось в пределах категорий «чрезвычайное» / «удовлетворительное». На фоне «пульсирующей» динамики экологического состояния воздушной среды насыщенность технофильными элементами почв и растительности на протяжении всего периода характеризовалась единой устойчивой тенденцией к обогащению.
Список литературы Технофильные элементы в особо охраняемых экосистемах западноуральской тайги
- Алексеенко, В.А. Экологическая геохимия. -М., 2000. 627 с.
- Ворончихина, Е.А. Основы ландшафтной хемоэкологии: учебное пособие/Е.А. Ворончихина, Е.А. Ларионова. -Пермь: Перм.ун-т, 2002. 146 с.
- Сает, Ю.А. Геохимия окружающей среды/Ю.А. Сает и др. -М.: Недра, 1990. 335 с.
- Критерии оценки экологической обстановки территорий для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия. Утв. ГНТУ Минприроды РФ 30.11.1992. -М., 1992. 54 с.
- Почва, очистка населенных мест, бытовые и промышленные отходы, санитарная охрана почвы. СанПиН 2.1.7-1287-03. -М., 2007. 12 с.
- Овчинников, Л.Н. Прикладная геохимия. -М.: Недра, 1990. 248 с.
