Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

В 1980–1983 гг. на Южном Урале в районе г. Сатка в различных зонах магнезитового загрязнения были созданы опытные культуры березы повислой (Betula pendula Roth.). В зоне сильного загрязнения находится ОУ № 2 (в 1 км от источника загрязнения), в зоне среднего загрязнения – ОУ № 5 (в 3 км), в зоне слабого загрязнения – ОУ № 3 (в 5 км), в условно контрольной зоне – ОУ № 4 (в 10 км). Все обследованные участки размещены на северо-восток от источника выбросов и, согласно розе ветров, находятся в зоне основного сноса газов и пыли [11]. В 20 км к северо-западу и 25 км к югу от источника выбросов расположены постоянные пробные площади – ППП-6К (район п. Сулея) и К1 (район п. Сибирка), выбранные в качестве фоновых условий и условного контроля соответственно. В условиях магнезитового загрязнения нами ранее проводились исследования по состоянию [2], надземной фитомассы [3], морфологиии химического состава листьев опытных культур Betula pendula Roth. [5], рост опытных культур Pinus sylvestris L., Betula Pendula Roth., Larix sukaczewii Dyl. [4], состояние естественных сосновых древостоев [6], репродукция [13, 14], качество семян и семенных потомств [10] опытных культур Pinus silvestris L.

Цель и методика исследований. Целью работы была оценка дифференциации деревьев опытных культур березы повислой (Betula pendula Roth.) по ступеням толщины при различном уровне загрязнения почвы. Диаметр опытных культур на высоте 1,3 м определялся через окружность дерева, которая измерялась мерной лентой с точностью до 0,1 см. Почвенные образцы отбирали (ГОСТ 17.4.4.02.84) по слоям на ОУ, так как горизонты при посадке в 1980-х гг. были перемешаны, а на ППП и в условном контроле (К1) закладывали разрезы. В лабораторных условиях определяли актуальную кислотность (ГОСТ 26423–85) на ионометре рН-340. Металлы из почвы экстрагировали ацетатно-аммонийным буферным раствором. Концентрации определяли на атомно-абсорбционном спектрометре nov AA 300 (Analitik Jena, Германия).

В процессе роста древостоев в условиях постоянного воздействия внешних неблагоприятных факторов, например техногенного загрязнения воздуха и почвы, большое значение имеет оценка дифференциации деревьев и взаимосвязей таксационных показателей. Распределение числа деревьев по ступеням толщины является одним из основных показателей в строении древостоев. На различия в условиях среды деревья, прежде всего, реагируют изменением величины диаметра. Дифференциация древесных растений как эколого-биологический процесс и возрастная динамика строения древостоев определяется их состоянием, ростом и развитием [16].

В одновозрастных насаждениях распределение деревьев по ступеням толщины стремится к эталонной модели строения древостоев, описываемой кривой нормального распределения [15]. На ОУ нами изучалось распределение деревьев по ступеням толщины в зависимости от уровня загрязнения. Установлено, что на загрязненных участках распределение по данному показателю существенно отличается от древостоев контрольного участка. Подобная закономерность отмечается во многих научных работах [8, 9, 17]. Авторы указывают, что под влиянием процессов деградации, спровоцированных влиянием поллютантов, происходит изменение многих показателей строения древостоев (в том числе в строении по диаметру). В общих чертах изменение структуры древостоев идет в направлении упрощения их организации.

Некоторые авторы считают, что под влиянием эмиссий токсичных веществ ускоряются процессы старения организмов и сообществ. Характер перестройки рядов распределения под влиянием усиливающейся дигрессии практически имитирует возрастную перестройку древостоев [18].

Число деревьев с диаметром меньше среднего в зонах загрязнения, выше, чем в контроле. В контроле данный показатель составляет 49 %, в зоне слабого загрязнения – 65 %, в зоне среднего загрязнения – 76 %, в зоне сильного загрязнения – 55 %. Выпадение данного показателя в зоне сильного загрязнения из общей закономерности можно объяснить отсутствием здесь сомкнутого древостоя (рис. 1). Установлено, что чем выше уровень нагрузки, тем сильнее отклоняются кривые распределения от нормальных кривых в сторону снижения диаметра.

На рис. 2 видно, как изменяются объёмы выбросов с 1980 по 2013 г. Пиком для твердых стал 1995 г., а увеличение газообразных выбросов в период с 2002 по 2011 г. произошло в 4 раза, по сравнению с предыдущими годами [7].

Длительное воздействие аэропромвыбросов в виде пыли и газов приводит к повреждению деревьев, как непосредственно воздействуя на ассимиляционный аппарат, так и опосредованно через почву. По мере приближения к источнику загрязнения, показатель актуальной кислотности в почве увеличивается (табл. 1). В 2005 г. в зоне сильного воздействия в послойном анализе выявлено увеличение актуальной кислотности почвы на 1,3 по сравнению с контролем, в зоне среднего загрязнения – на 0,9 ед. рН.

Анализ полученных данных за период наблюдений показал, что с 1983 по 1990 г. показатель несколько уменьшался, а в 2005 г. опять увеличился. С 1978 по 1983 г. количество годовых аэропромвыбросов (после установки электрофильтров) находилось в объеме 30 тыс. т в год. С 1985 по 1990 гг. объемы выбросов уменьшились до 26 тыс. т в год. С 1999 по 2001 г. количество выбросов составляло 18 тыс. т в год, а в 2002 г. 16 тыс. т в год. Снижение показателя в почве при снижении выбросов промышленных предприятий отмечено во многих работах [1, 9, 12]. В результате исследований, проведенных нами с 1983 по 2010 г. выявлено снижение актуальной кислотности почвы в верхних горизонтах в зонах среднего и слабого воздействия на 0,2–0,5 ед. рН. На опытных участках в зоне сильного загрязнения снижение данного показателя не обнаружено. Самоочищение почвы в зоне сильного загрязнения происходит крайне медленно, даже при снижении или полном прекращении выбросов в результате низкой подвижности металлов в щелочной среде [19]. Возможно, самоочищение почв в зонах среднего и слабого воздействия произойдёт интенсивнее при условии более значительного сокращения объемов газообразных выбросов (пары щелочей, серный ангидрид и фтор), определяющих токсическую нагрузку на почвы и растения.

Рис. 1. Распределение деревьев по ступеням толщины на ОУ (линией показана кривая нормального распределения)

Рис. 2. Выбросы в атмосферу ОАО «Комбинат “Магнезит”» (т/г)

Таблица 1

Изменение актуальной кислотности в различных зонах магнезитового загрязнения в верхнем (0–10 см) слое почвы в разные годы

В исследуемой почве по зонам загрязнения анализ на содержание тяжелых металлов (Pb, Co, Ni) показал, что содержание тяжелых металлов вверх по профилю почвы увеличивается, что указывает на их аккумуляцию в верхних почвенных горизонтах с поверхности (табл. 2).

Известно, что в условиях загрязнения подстилка является одним из основных источников аккумуляции поллютантов в процессе вымывания осадками и оседания в виде пыли из атмосферы. Содержание всех анализируемых элементов в подстилке выше на 60–80 % в условиях сильного воздействия, чем в зоне слабого воздействия выбросов комбината. Ранее нами отмечалось повышенное содержание железа и марганца в снеговой воде в фоновых условиях [9]. Биогенность марганца в почве в слое (0–10) эквивалентна в зоне сильного воздействия и в фоновых условиях, однако в фоновых условиях прослеживается снижение содержания металла вниз по профилю (табл. 2). Эмиссия в атмосферный воздух соединений марганца и железа по всем ОУ обусловлена выбросами не только комбината, но и ОАО «Саткинский чугуноплавильный завод».

Кадмий встречается в зоне сильного и среднего загрязнения в верхнем слое и в подстилке. Кларковый уровень содержания данного элемента в почве составляет 0,01 n•10–3 %. В зоне сильного загрязнения (ОУ-2) содержание кадмия в верхнем слое почвы выше условного контроля в 15 раз. Известно, что кадмий примерно в 10 раз токсичнее свинца.

Таблица 2

Содержание металлов в почве на ОУ, n·10–3 %, 2010 г.

Таким образом, по содержанию металлов в почве на загрязненной территории можно построить следующий ряд (по мере убывания): Mn > Fe > Zn > Сo > Pb > Ni > Сd > Cu.

По результатам наших исследований при снижении выбросов комбината за 26-летний период происходит частичное самоочищение почвы в результате снижения содержания обменного магния по отношению к кальцию на фоне высокой актуальной кислотности почвы. В зоне сильного загрязнения (ОУ-2) с 1983 г. по 2009 г. произошло снижение соотношения обменного магния к кальцию с 7,5 до 2,0, а в зоне среднего (ОУ-5) – с 5,1 до 2,0 соответственно.

Выводы

1. Установлено, что на загрязненных участках распределение деревьев по ступеням толщины существенно отличаются от древостоев контрольного участка: чем выше уровень техногенной нагрузки, тем сильнее отклоняются кривые распределения от нормальных кривых в сторону снижения диаметра.

2. По содержанию металлов в почве на загрязненной территории можно построить следующий ряд (по мере убывания): Mn > Fe > Zn > Сo > Pb > Ni > Сd > Cu.

3. Содержание анализируемых элементов (кроме марганца и железа) в подстилке выше на 60–80 % в условиях сильного воздействия, чем в зоне слабого воздействия комбината.