Содержание к диссертации
Введение
ГЛAВA 1. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ 5
1.1. Геологическое строение 5
1.2. Рельеф 6
1.3. Гидрология 7
1.4. Климат 11
1.5. Почвы 13
1.6. Лесной фонд 14
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 32
ГЛАВА 3. Содержание естественных радионуклидов в компонентах сосновых экосистем 47
3.1. Почва 50
3.2. Древесина 58
3.3. Хвоя 62
3.4. Напочвенный покров 63
ГЛАВА 4. ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В СОСНОВЫХ ЭКОСИСТЕМАХ 66
4.1.Перераспределение тяжелых металлов в почвенном профиле 70
4.2. Содержание тяжелых металлов в хвое сосны разного возраста 85
4.3. Накопление тяжелых металлов в растениях живого напочвенного покрова и лесной подстилке 89
ВЫВОДЫ 94
ЛИТЕРАТУРА 96
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в связи с многократно возросшим техногенным воздействием на окружающую среду значительно возросло поступление искусственных радионуклидов и тяжелых металлов (ТМ) в лесные экосистемы. Обстановка в лесах изменяется крайне медленно, так как самоочищение от долгоживущих радионуклидов (цезий-137 и стронций-90) происходит лишь за счет их распада (2,7% в год) и будет длиться в течение десятилетий. Поступление ТМ из газовопылевых выбросов промышленных предприятий и автомобильного транспорта на поверхность почв, а затем в растения в избыточных количествах приводит к ухудшению качества лесных ресурсов. Самоочищение лесной экосистемы от тяжелых металлов происходит также длительное время и лишь за счет их перераспределения с почвенной влагой или через поглощение растениями (Мухамедшин и др., 1998).
Опасность радионуклидов и тяжелых металлов для человека определяется их способностью к накоплению в организме, главным образом в почках и печени, что способствует возникновению целого ряда тяжелых заболеваний.
Ленточные боры Алтайского края, особенно южная часть Касмалинской и Барнаульской лент, в течение многих десятилетий подвергались радиационному загрязнению от ядерных испытаний на Семипалатинском полигоне и продолжают испытывать негативное антропогенное воздействие в отношении тяжелых металлов. В то же время боры являются источником получения различных лесных ресурсов населением, проживающем вблизи них. Поэтому изучение содержания радионуклидов и тяжелых металлов в почве, древесине, хвое, живом напочвенном покрове является вопросом актуальным.
Цель исследований заключается в исследовании компонентов сосновых экосистем на содержание в них долгоживущих радионуклидов и тяжелых металлов.
4 Задачи исследований:
Изучить распространение естественных и искусственных радионуклидов и тяжелых металлов в сосновых экосистемах ленточных боровх Алтайского края на протяжении 510 км в меридиальном направлении.
Определить содержание радионуклидов и тяжелых металлов в почве, древесине, хвое, напочвенном покрове на ключевых объектах.
Выявить миграцию радионуклидов и тяжелых металлов в почвенных горизонтах и под влиянием рельефа местности.
Научная новизна. Проведено комплексное изучение техногенного загрязнения радионуклидами и тяжелыми металлами территории ленточных боров Определена возможность использования древесины, живого напочвенного покрова в хозяйственной деятельности человека.
На защиту выносятся следующие положения:
1.Накопление и перераспределение долгоживущих радионуклидов в различных компонентах сосновых экосистем.
2.Аккумулирование и передвижение тяжелых металлов в почвах, древесине, хвое, растениях под влиянием влажности почв и рельефа местности Практическая значимость. Проведенные исследования позволяют определить радиационный фон и накопление тяжелых металлов в лесных насаждениях на обширной территории ленточных боров, а также установить возможность заготовки, переработки и реализации продукции лесных ресурсов.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научно-практических конференциях различного уровня (Барнаул, 2003, 2004, Белгород, 2004, Семипалатинск, 2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы. Объем диссертации стр. машинописи, включает 20 таблиц, 6 рисунков. Список библиофафических источников включает 148 наименования.
Гидрология
Водные ресурсы (Материалы..., 1962, 1987) Алтайского края представлены поверхностными и подземными водами. Суммарный поверхностный сток рек края составляет 53,5 кмЗ в год. В бассейне Оби, занимающем 70% территории края, формируется 53 кмЗ. В бессточной области Обь-Иртышского междуречья (30% территории) формируется только 0,5 км стока.
На территории края протекает 17085 рек общей протяженностью 51004 км.
Область питания большинства рек лежит в пределах Приобского плато, только лишь водосборный бассейн р. Алей расположен за его пределами (Кабанов, 1938).
Сток рек Кулундинской степи, в основном, формируется талыми водами, которые составляют 58-92% годового стока (Абрамович, 1960). Участие летних осадков в формировании этого процесса ощутимо проявляется только во влажные годы, а выклинивающиеся грунтовые воды имеют ограниченное значение. Дренирующая роль рек активно проявляется только в пределах Приобского плато, в Кулундинской депрессии она сокращена до минимума.
В озерные котловины и другие затопляемые низины Кулунды ежегодно приносится большое количество солей. Так, с водосборной площади только трех рек ( Бурла, Кулунда и Кучук), равной 178 тыс. км2 со средним многолетним годовым стоком около 260 млн. куб.м воды, в озера и низины ежегодно приносится до 184 тыс. т различных солей (Ковалев и др., 1967).
Большие массы поверхностных вод сосредоточены в озерах, число которых в Кулундинской степи, по данным Д.И.Абрамовича (1960), достигает 2955. Наиболее крупные из них (Кулундинское, Кучукское, Песчаное, Топольное и др.) являются водоприемными бассейнами речного стока и расположены в устьях рек (табл.1).
Многие озера расположены в низинах древней гидрографической сети и соединены между собой пересыхающими протоками. В маловодные годы наполняются водой только озера, расположенные непосредственно в устьях рек. В многоводные годы вода из них перетекает и в более отдаленные озера. При этом происходит качественная дифференциация накапливающихся солей. Даже в паводковый период только часть солей находится в растворенном состоянии, преобладающая же масса - в осадке. В этот период в удаленные от устьев рек озера переносятся преимущественно наиболее легкорастворимые соли (Герасимов, 1935). В результате во многих озерах накопились огромные запасы солей, имеющие промышленное значение (Кучукское, Бурлинское и др.).
Значительную площадь в Кулундинской степи занимают мелкие озера, которые обычно расположены в замкнутых и полузамкнутых понижениях плоских равнин, в межгривных низинах, лощинах древнего стока и других депрессиях с небольшими водосборными площадями. В засушливые годы большинство озер пересыхает и днища их превращаются в солончаки. Вокруг таких озер расположены обширные площади заболоченных и засоленных почв. В северной и восточной частях Кулундинской степи имеется много пресных озер.
На территории края имеются (Акуленко, 1977, Алтайский край, 1978) значительные запасы подземных вод. Их потенциальные эксплуатационные ресурсы в пределах равнинной части края на 50-летний срок составляют около 269мЗ/сек (Материалы..., 1998). Подземные воды находятся в меловых, третичных и четвертичных отложениях. Они залегают отдельными ярусами и нередко гидравлически связаны между собой (Акуленко, Бивалькевич, 1995, Бейром и др., 1958). Имеются сведения в научной литературе (Левина, 1950) о возможной связи их с горными областями питания. Это мнение подтверждается наличием напорности в подземных водах верхних водоносных слоев, прослеживаемой в отдельных районах и достигающей 20-30 м от устья скважин. На территории центральных районов Кулундинской степи выявлены значительные запасы пресных и слабоминерализованных подземных вод. Режим глубин залегания грунтовых вод, в основном связан с таянием снега и выпадением дождей. Наибольший их подъем наблюдается весной, в июне-июле идет интенсивное их испарение и снижение уровня (Илясов, Симоненко, 1991, Симоненко, Шошин, 1982, 1985). К ноябрю - декабрю уровень грунтовых вод стабилизируется и в течение зимы практически не изменяется. Наибольший подъем грунтовых вод приурочен к понижениям, наименьший - к повышениям.
Основная часть расхода грунтовых вод приходится на физическое испарение и на транспирацию растениями. Для условий Кулундинской степи при глубине залегания грунтовых вод 1,2 и 3 м от поверхности, снижение уровня составляет соответственно 146,80 и 18 см, а истинные потери воды на испарение-296,160 и 36 мм (Абрамович, 1960).
Древесина
Естественные радионуклиды поступают в организм растений главным образом через корневую систему (Макеев и др., 1984, Титаева, Таскаев,1983), но короткоживущие нуклиды типа полоний-210, родон-222 проникают в растение и аэральным (атмосферным) путем (Попова и др., 1974, Таскаев и др., 1974, Попова, Таскаев, 1980).
В связи с требованиями Постановления Правительства Российской Федерации № 131 от 02.02.98 г. «Об обязательной сертификации древесины, отпускаемой на корню, и второстепенных лесных ресурсов» многие положения действующих руководств по лесопользованию в определенной степени устарели и для правильного ведения тех же рубок ухода необходимо совершенствование их и прежде всего направленного на выяснение действительно имеющей место в данных конкретных условиях определенной активности радионуклидов. Лесные экосистемы, в отличие от других природных комплексов, обладают способностью прочно удерживать радионуклиды, и тем самым предотвращая распространение загрязнения на сопредельные территории.
Исследованиями многих авторов (Мухамедшин и др., 1994, 1995,1996а, 19966,1996в, 1998, 2000, 2001, Чилимов, Мухамедшин, 1995, Чилимов и др.,2001, Марадудин и др., 2001 и др.) установлено, что содержание цезия-137 в древесине, второстепенных лесных ресурсах зависит от ряда факторов: загрязнение почвы, ее механического, химического состава и влажности, тип лесорастительных условий, таксационные показатели древостоя, класс роста, микрорельеф местности, время года. Имеет место четкая зависимость удельной активности радионуклидов от типа леса - с увеличением богатства почвы и снижением ее влажности удельная активность нуклидов в древесине снижается. Так, в условиях А4 максимальная удельная активность древесины сосны при плотности загрязнения почвы цезием-137 в 5 Ки/км2 равна 792 Бк/кг, в условиях А2В 440, а в Лі 308 Бк/кг.
Но в зоне аварии Чернобыльской АЭС картина кардинально меняется, особенно в отношении удельной активности радионуклидов. Так, по исследованиям А.И.Щеглова и О.Б.Цветновой (1998) в зоне отчуждения ЧАЭС удельная активность цезия-137 и стронция-90 на несколько порядков выше в сравнении с аналогичным показателем в древесине сосны ленточных боров. В комлевой части ствола она составляет 1,5 кБк/кг, а в вершинной — 0,7 кБк/кг. В Полесье, подвергшейся воздействию. ЧАЭС (Краснов и др., 1996) установлено, что цезий-137 преимущественно локализовался в подстилке и верхнем 5-сантиметровом слое почвы и слабо мигрирует в нижние слои. В борах удельная активность цезия-137 в подстилке составила 64380 Бк/кг, а в субори - 48656. В минеральном слое почвы на глубине до 4 см удельная активность цезия-137 составила 2257 Бк/кг, на глубине 40 см - 25,9 Бк/кг, а в более глубоких слоях обнаружены лишь следы радионуклида.
Степень накопления радионуклидов древесными растениями зависит в первую очередь (Воронин, 2002) от плотности загрязнения почвы, а также от
Влияния других факторов: почвенно-грунтовые условия, физиологическое состояние дерева, сезон года, погодные условия и др.
Наибольшее накопление цезия-137 в древесине сосны обыкновенной имеет место на бедных песчаных почвах с маломощным гумусовым горизонтом. Происходит процесс снижения удельной активности цезия-137 в почвенной толще и увеличение в древесине с течением времени.
Подобная закономерность выявлена и нами при исследовании удельной активности цезия-137 в древесине сосны из ленточных боров Алтайского края. Полученные в течение 2 лет данные показывают повышение активности радионуклида со временем (табл.11).
Условия местопроизрастания на очень сухих и сухих почвах (А0, Aj), как правило, размещаются на вершинах бугров, дюн, всхолмлений т.е. на верхних частях рельефа по отношению к окружающей местности. Сосняки на свежих почвах (А2) занимают склоны бугров, а на влажных почвах (А3) - пониженные части рельефа. В этом случае рельеф оказывает влияние как на перераспределение глиняных частиц почвы, а так же и влаги, что сказывается на продуктивности сосновых экосистем.
В отношении искусственных радионуклидов (табл. 13) так же можно утверждать о их перераспределении под влиянием рельефа и в итоге, попадая в древесину сосны, их удельная активность оказывается более повышенной у деревьев, растущих на склонах бугров в сравнении с деревьями, растущими на верхних частях рельефа.
Перечень выявленных радионуклидов достаточно обширен и включает 16 наименований. Помимо указанных в табл. 13 цезия-137 и стронция-90 выявлены калий-40, радий-226, тантал-232 и другие, но период полураспада их различен: от 73,8 суток (192 Iz) до 4,10(16) лет (50V). Практическую значимость из них имеют два: 90Sr и 137Cs, периоды полураспада которых соответственно равны 28,12 и 30,00 лет (Физические величины, 1991).
Двухлетний период наблюдений показал, что в 66,7% случаев активность радионуклидов как цезия-137, так и стронция-90 не превышает 5 Бк/кг, то есть накопления их в древесине не происходит. В остальных случаях их активность не превышает 18,9 Бк/кг.
Естественный фон, создаваемый такими тяжелыми радионуклидами, как калий-40, радий-226, тантал-232, но их удельная активность в древесине сосны не превышает фоновых показателей.
Содержание в древесине сосны отмеченных радионуклидов оказывается много меньше установленных предельных норм содержания, превышение которых ведет к запрету использования древесины в любом виде (Санитарные правила..., 1999).
Несмотря на довольно низкое содержание радионуклидов в целом по ленточным борам, все же отмечается несколько более повышенное их содержание в Лебяжинском, Волчихинском и Новичихинском лесхозах в сравнении с окружающими. В связи с тем, что леса могут являться источником вторичного загрязнения, что связано с лесными пожарами, (Сергеенко,1996), при которых повышается концентрация радионуклидов в воздухе на расстоянии 5-Ю км в дымовом шлейфе в 100 раз, а в отдельных случаях и в 1000 раз, можно предположить, что повышенная удельная активность радионуклидов в вышеназванных лесхозах есть результат переноса их при крупных лесных пожарах из южнее расположенных лесных массивов.
Содержание тяжелых металлов в хвое сосны разного возраста
. Состояние растений служит в качестве информативного интегрального показателя, отражающего неблагополучие окружающей среды. Наибольшее внимание уделяется хвойным растениям, имеющим на порядок меньшую устойчивость к атмосферным поллютантам в сравнении с лиственными, которые вызывают изменение ряда физико-биохимических и морфоструктурных параметров (Михайлова и др., 2004)
Химический состав различных органов хвойных пород широко используется для оценки состояния экосистемы (Михайлова, Анциферова, 1991, Борохтанова,1993, Лукина, Никонов, 1996) наряду с морфологическими показателями (Боева, 1981, Влияние...,1984, Трунов, 2001).
Ассимиляционные органы древесных растений являются самыми чувствительными к изменениям параметров окружающей среды. Анализируя состояние хвои как носителя основного объема фотосинтетического аппарата, следует отметить особенность, которая заключается в том, что старше 3 лет практически хвои нет, а количество хвои в возрасте 3 лет составляет всего 35-52% от количества в возрасте 2 лет. Подобная картина имеет место и в сосновых насаждениях Русской равнины (Луговской, 2004), где под влиянием поллютантов хвоя имеет повреждения в виде хлорозов и некрозов.
По исследованиям Е.А. Валетовой (2004) в районе г. Бийска продолжительность жизни хвои в 10 км от источника атмосферного загрязнения составляет 5 лет, а в непосредственной близости — 3 года. Причем содержание тяжелых металлов возрастает с приближением к источнику загрязнения. Содержание свинца увеличивается в 3-летней хвое с 1,34 мг/кг в 10 км до 2,44 в 1 км, а цинка с 21,1 до 24,8 мг/кг.
Считается (Маликова и др., 2002), что свинец и кадмий не входят в число элементов физиологически необходимых для растений, но во многих случаях они активно поглощаются и негативно влияют на физиологические процессы, а в итоге на снижение прироста как по высоте, так и по диаметру.
В тоже время А.В. Сибиркина (2002) установила, что в ленточных борах Казахстана содержание меди в листьях 7 видов травянистых растений 87 превышает в 1,6 раза региональные кларки меди (4,6 мг/кг), а В.В.Трегуб (2002) в Горном Алтае установил, что в 27 видах растений Северо-Восточного Алтая и в 57 видах Центрального Алтая содержание свинца не превышает 1 мг/кг, то есть не превышает фоновых показателей. Многие авторы (Луговской,2004, Второва, 2002, Кобота-Ппиднос,1989, Сает и др. 1990 и др.) считают, что состояние хвои можно использовать в качестве объекта мониторинга окружающей среды, особенно в зонах техногенного атмосферного загрязнения.
Наши исследования по ленточным борам показали, что в отношении свинца происходит его накопление в хвое с увеличением ее возраста практически во всех условиях произрастания сосны. Так, в условиях А0 - Аі в Новичихинском лесхозе такое увеличение составило 222,7%, в условиях Аг -А3 - 153,7%, а в условиях А4 - А5 - 144,9%. Одновременно в идентичных условиях, но с продвижением на север, происходит повышение содержания свинца в хвое. Если взять 1-летнюю хвою в Тополинском лесхозе, которая содерпжит 1,04 мг/кг свинца, то в Новичихинском лесхозе в такой хвое уже содержится 1,10 мг/кг, а в Каменском - 2,52 мг/кг. В условиях А0 Aj подобная тенденция сопутствует хвое сосны в возрасте 2 и 3 лет.
В более благоприятных почвенно-климатических условиях такой жесткой закономерности не наблюдается, но все же более старая по возрасту хвоя содержит большее количество свинца.
В отношении кадмия таких закономерностей не наблюдается, но разница в показателях содержания незначительна. Обращает на себя внимание повышенное содержание кадмия в 2-летней хвое в сравнении с 1 и 3-летней, особенно на деревьях, растущих в средних и нижних частях склонов. Так, в условиях А2А3 в Тополинском лесхозе в 2-летней хвое кадмия содержится 0,13 мг/кг, а в хвое 1 и 3 летней по 0,07 мг/кг. В Новичихинском лесхозе аналогичные показатели равны 0,19; 0,08 и 0,05 мг/кг, а в Каменском 0,20; 0,14 и 0,18. Подобная тенденция имеет место и в более влажных условиях местопроизрастания - А4А5. Содержание меди в хвое в условиях A0Aj и А2А3 снижается с возрастом хвои на всем протяжении ленточных боров, но в более влажных условиях происходит ее накопление в хвое более старшего возраста. Если в Новичихинском лесхозе содержание меди в ТУМ A0Ai снижается от 1-летней хвои к 3-летней с 2,79 мг/кг до 2,24, то в том же лесхозе, но в условиях А4А5 происходит увеличение ее содержания с 1,09 до 2,71 мг/кг. В наиболее сухих условиях произрастания (AQAJ) содержание цинка в хвое снижается с ее возрастом, но с увеличением влажности в почве происходит обратная тенденция, то есть накопление цинка в хвое с увеличением ее возраста.
