Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Экологическая роль серы 8
1.1 . Свойства серы и ее соединений 8
1.2. Эмиссия серы 13
1.3. Содержание серы в почве 15
1.4. Содержание серы в атмосфере и сорбция ее почвой 17
1.5. Биологические процессы образования и разложения сероорганических соединений 19
1.6. Изменение свойств почв под влиянием загрязнения техногенной серой 23
1.7. Баланс серы в лесных экосистемах 26
1.8. Механизмы устойчивости почв к кислотным нагрузкам 30
ГЛАВА 2. Экологические условия района исследований 36
2.1. Рельеф, геология и почвообразующие породы 36
2.2. Климат и мерзлотные условия 39
2.3. Растительность 42
2.4. Антропогенный фактор 48
ГЛАВА 3. Объекты и методы исследований 49
3.1. Объекты исследований 49
3.2. Методы исследований 75
ГЛАВА 4. Морфологическая и физико-химическая характеристика почв 79
4.1.Криоземы 80
4.2. Торфяно-криоземы 91
4.3. Подбуры 96
ГЛАВА 5. Содержание и распределение серы в почвах 105
5.1. Влияние удаленности источника загрязнения на распределение валовой серы в почвах 105
5.2. Концентрация серы в отдельных компонентах биогеоценоза 111
5.3. Распределение серы в почвах геохимических ландшафтах 112
5.4. Содержание и распределение серы в профиле почв 114
5.5. Зависимость кислотности почв от содержания серы 122
ВЫВОДЫ 127
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 129
Введение к работе
Актуальность работы:
Специфика функционирования лесных биогеоценозов севера определяется экстремальными природными условиями, а также продолжительным и интенсивным действием антропогенного фактора. В настоящее время особое внимание уделяется почвам северных территорий, подверженным техногенному воздействию (Крючков, 1991; Копцик, Силаева, 1995; Власенко и др., 1995; Воробейчик, Хатемирова, 1995; Морозкин и др., 2001; Ровинский и др., 2001; Schardt, 2000).
Отдельно выделяется проблема воздействия на экосистемы кислотных осадков и соединений серы (Ford, 1980; Freefelt, 1980; Чертов, 1982; Израэль, 1989; Ершов, 1992; Terelak, 1994; Лукина, Никонов, 1996; Никонов, Копцик, 1999; Маслова, 2004). В условиях Приенисейского севера наиболее мощным источником воздействия на лесные биогеоценозы являются атмосферные и наземные отходы перерабатывающих предприятий цветной металлургии, преобладающими компонентами которых являются сернистый ангидрид и тяжелые металлы.
Большой интерес к изучению серы как элемента питания растений и использованию различных соединений серы в качестве удобрений привел в 70-х годах к появлению многочисленных работ по агрохимии и почвоведению (Танин, 1965; Вальников и др., 1971, 1973; Гринченко, Мамонтова, 1971; Алексеева, 1975; Масловский, Григорьев, 1973; Оголева, Вершинина, 1976; Слуцкая, 1976; Янишевский и др., 1976). Основной проблемой в рассматриваемых работах являлся дефицит серы в агроценозах и возможность применения различных соединений серы в качестве удобрений. Достаточно подробно изучен вопрос о воздействии серы на растения (Пашова, Лотоцкая, 1976; Шевякова, 1979; Рудкова, 1981; Никитишен, Дмитракова, 1983; Ягодин, 1985; Thompson, 1986; Russell, 1988; Szarek, 1991).
Глобальному и региональному изучению серы посвящено много работ (Смола, Кельцев, 1976; Дончева, 1978; Проблемы экологического мониторинга..., 1981; Чертов, 1982; Глобальный биогеохимический цикл серы..., 1983; Brown, 1987; Лесные экосистемы..., 1990; Гришина, Нургалиев, 1990; Ершов, 1992; Dziadowiec, 1994; Dechnik, Kaczor, 1994; Воробейчик, Хатемирова, 1995; Копцик, Силаева, 1995; Лукина, Никонов, 1996; Кашулина, 2002). Оксиды серы рассматриваются в качестве кислотных агентов, ухудшающих почвенные условия. При этом в большинстве исследований не определяется содержание серы или ее соединений в почве, а лишь учитывается изменение кислотности почвенной среды.
Несмотря на многочисленные работы по изучению влияния кислотных осадков, серы и ее соединений на почву и растения, данных по содержанию и распределению серы в лесных почвах, подверженных техногенному воздействию, мало.
Почвенный покров плато Путорана специфичен (Соколов, 1976, 1986; Соколов, Градусов, 1978,1981; Ершов, 1992,1995,2004). Недостаток сведений о физико-химических свойствах почв севера, подверженных техногенному воздействию, не дает возможности прогнозировать изменения, которые могут происходить в экосистемах при разных уровнях атмосферного загрязнения. Для обширной территории Средней Сибири, чрезвычайно неравномерно охваченной почвенно-географическими исследованиями, изучение общих закономерностей мерзлотного почвообразования и распределения серы в почвах может восполнить отсутствие сведений о свойствах мерзлотных почв этого региона.
Сернистый ангидрид (SO2) является основным загрязнителем в исследуемом регионе, особую значимость приобретает изучение поступления, накопления и трансформации серы в почвах. До настоящего времени вопросу содержания и распределения серы в почвенном профиле
не уделялось должного внимания, поэтому данная тема является актуальной.
Цель диссертационной работы:
Выявить содержание и закономерности распределения серы в мерзлотно-таежных почвах.
В задачи исследований входило:
изучить условия почвообразования;
дать морфологическую и аналитическую характеристику почв;
оценить пространственное и внутрипочвенное распределение серы в почвах геохимически сопряженных ландшафтов;
определить взаимосвязь между кислотностью почвы и содержанием серы.
Защищаемые положения:
Распределение серы в почвах геохимически сопряженных ландшафтов определяется химическим составом почвообразующих пород, рельефом, миграционной способностью серы, свойствами почв.
В почвах лесных биогеоценозов наблюдается тенденция увеличения концентрации серы в органогенных горизонтах по мере приближения к источнику эмиссии.
Личный вклад автора:
Исследования по теме диссертации проведены автором, в том числе полевые исследования, морфологическое описание почв, отбор и подготовка образцов к физико-химическим анализам, определение содержания серы в почвах, анализ, обобщение и интерпретация полученных результатов.
Научная новизна:
Определено содержание различных форм серы в почвах. Установлена зависимость между расстоянием от источника эмиссии и концентрацией серы в почвах. Выявлены закономерности пространственного и внутрипочвенного распределения серы в почвах
геохимических ландшафтов. Установлена связь между показателями почвенной кислотности и содержанием серы.
Апробация работы:
Основные положения работы были представлены на конференциях: международной научной конференции студентов и молодых ученых «Экология Южной Сибири» (Абакан, 2001); международном симпозиуме «Проблемы устойчивого развития регионов в XXI веке» (Биробиджан, 2002); Всероссийской научной конференции «Северный регион: наука и социокультурная динамика» (Сургут, 2002); Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса» (Москва, 2003); международной конференции 'ENVIROMIS-2004' (Томск, 2004); Всероссийской научной конференции «Мерзлотные почвы: разнообразие, экология и охрана» (Якутск, 2004); VI Сибирском совещании по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2005); II международной научно-практической конференции «Почва как связующее звено функционирования природных и антропогенно-преобразованных экосистем», (Иркутск, 2006); конференции молодых ученых «Исследования компонентов лесных экосистем» (Красноярск, 2006) и др.
Структура и объем диссертации.
Работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы. Работа изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц, 31 рисунок. При написании работы использовано 220 литературных источников, из них 40 на иностранных языках.
Благодарности:
Автор искренне благодарен научному руководителю д.б.н. Ю.И. Ершову за общее руководство в ходе выполнения работы. Автор благодарит сотрудников Института леса им. В.Н. Сукачева, принимавших участие в проведении полевых работ и сборе материала к.с-х.н В.В. Иванова, В.А.Солдатова, к.б.н. О.А. Зырянову, к.б.н. А.А. Кнорре, к.б.н. И.Н. Безкоровайную, к.б.н. А.С. Прокушкина и др.
Свойства серы и ее соединений
Загрязнение атмосферы промышленными выбросами все более приобретает глобальный характер и требует к себе самого пристального внимания. Оценка и нормирование техногенной нагрузки на природную среду представляет собой сложную проблему, решением которой занимаются как экологи, так и широкий круг специалистов смежных с экологией областей. В этой проблеме выделяются два взаимозависимых направления: а) мониторинг и оценка влияния техногенных выбросов на экосистемы как постфактум; б) установление пределов устойчивости экологических систем к антропогенным нагрузкам и разработка на перспективу допустимых норм токсических нагрузок (Лукина, Никонов, 1996).
Основная техногенная нагрузка в ландшафте приходится на почвы. Почва адсорбирует из атмосферы газообразные вещества и пылеобразные техногенные выбросы. Она выполняет функции депонирования и переработки техногенных веществ, которые зависят от величины нагрузки и свойств почвы, определяющих ее устойчивость к внешним воздействиям, в том числе прессингу аэротехногенных веществ (Никонов, Копцик, 1999).
Почва является компонентом лесных биогеоценозов, обеспечивающим непрерывность и стабильность их функционирования, благодаря наличию в почвенной толще запасов влаги и элементов минерального питания, а также благодаря возврату элементов из опада в растения в результате деструктивной деятельности почвенной биоты (Зонн, 1964). Если растения и другие организмы биогеоценоза служат биологическим барьером на пути загрязнителей, то почва служит первым и очень активным биогеохимическим барьером (Биогеохимические функции лесов на северном пределе распространения, 1994).
Изменения в свойствах почв, индуцируемые влиянием на них атмосферных осадков, содержащих техногенные продукты, многие специалисты склонны считать одной из причин негативного воздействия кислотных поллютантов на биосферу (Морозкин и др., 2001). Прежде всего к ним относятся повышение кислотности почв (Аскинази, 1955; Взаимодействие лесных экосистем..., 1982; Глазовская, 1990), снижение запасов элементов минерального питания, мобилизация тяжелых металлов и алюминия. Подобные изменения в свойствах почвы - неотъемлемого компонента любой наземной экосистемы, в значительной мере определяющего ее устойчивость и продуктивность, безусловно, могут привести к нарушению ее функционирования, повреждению и в конечном итоге к разрушению.
К кислотообразующим агентам в атмосфере относятся диоксиды углерода и серы, сероводород, соляная кислота, оксиды азота и азотная кислота, некоторые органические кислоты (Возбуцкая, 1968). В соответствии с равновесием, устанавливающимся между дистиллированной водой и растворенной в ней двуокисью углерода, принято считать, что рН незагрязненных атмосферных осадков примерно равен 5,6, поскольку в них легко растворяется углекислый газ из воздуха с образованием слабой угольной кислоты (Контроль состояния и регуляция функций биосистем..., 1993; Копцик, Силаева, 1995).
Соединения углерода, водорода, серы, азота природного и антропогенного происхождения, попадая в атмосферу, превращаются либо в стабильные долгоживущие соединения (например, СОг), либо в короткоживущие соединения кислотного характера (например, оксиды азота и серы). Последние участвуют в жидкофазных процессах с образованием кислот, выпадающих из атмосферы с осадками (Глобальный биогеохимический цикл серы..., 1983; Иванов, 1983).
В ряду загрязняющих агентов одно из ведущих мест принадлежит техногенной сере, поступающей в атмосферу и далее в почвы при сжигании ископаемого топлива в металлургическом производстве (Биогеохимические функции лесов..., 1994).
Сера является химическим элементом IV группы периодической системы Менделеева, ее атомный номер 16, атомная масса 32,06. Сера относится к весьма распространенным элементам.
Рельеф, геология и почвообразующие породы
Район охватывает горы западного макросклона плато Путорана. Рельеф низкогорный, с общим понижением местности в северном направлении (Драницын, 1914). Абсолютные отметки колеблются в пределах от 80 до 600 м над уровнем моря.
Рельеф представлен ступенчатыми плато и останцовыми горами на горизонтально лежащих и полого падающих пластах интрузивных и эффузивных пород (траппов, лав и туфов). Горные сооружения разделены депрессиями, в которых располагаются озера (Лама, Мелкое, Глубокое, Собачье и др.) и реки (Норилка, Рыбная, Хантайка, Горбиачин, Курейка, Северная). Болота занимают около 24 % территории.
В горах выделяются несколько высотных поясов, различающихся по ландшафтно-климатическим условиям. Нижний пояс (60-100 м) охватывает Норильскую котловину и представляет собой плоскую слабо дренированную озерную равнину ледникового генезиса с наложенными долинами р. Рыбная и ее притоков.
С запада на восток к равнине симметрично примыкают последовательно сменяющие друг друга более высокие орографические пояса. Пояс горных шлейфов и низких нагорных террас (200-250 м), средневысоких нагорных террас (250-300 м) и высоких нагорных террас (350-600 м). Пояс горных вершин, имеющий преимущественно столообразную форму (участками - гребневидную), расположен на высоте 500 м и более (Горожанкина и др., 2005).
В геологическом строении Сибирской платформы принимают участие горные породы от протерозоя до современных. Общая мощность платформенного чехла превышает 12 тыс. м. Кровля кристаллического фундамента неровная и залегает на глубинах от 600 до 12 000 м (Даценко, 1968). Плато Путорана - это расчлененный в результате тектонических движений положительного знака лавовый покров. Он сложен верхнепалеозойскими-нижнемезозойскими траппами, которые представлены гипабиссальными интрузивными и эффузивными изверженными породами (долеритами, габбро-долеритами, базальтами) ультраосновного, основного, среднего, кислого и щелочного составов (Лурье, Масайтис, 1966).
Средний химический состав траппов (179 анализов) Сибирской платформы, % (Добрецов и д.р., 1972): Si02 - 48,3; ТЮ2 - 1,5; А1203 - 15,5; Fe203 - 3,6; MnO - 0,2; MgO - 6,2; CaO - 10,7; Na20 -2,2; K20 - 0,7; P205 -0,1. Средний химический состав базальтов (93 анализа) плато Путорана, % (Лурье, Масайтис, 1966): Si02 - 48,9; Ті02 - 1,3; А1203 - 15,8; Fe203 - 5,4; MnO - 0,2; MgO - 7,2; CaO - 10,9; Na20 - 2,0; K20 - 0,4; P205 - 0,1.
Характерной особенностью химико-минералогического состава траппов является обогащение их железомагнезиальными силикатами и основными плагиоклазами и очень незначительное содержание кварца, и, как следствие, высокое содержание кальция, магния, и низкое - щелочных элементов и кремнезема (Ершов, 2004).
Трапповая формация включает туфогенные образования. Химический состав туфов (10 анализов) колеблется в широких пределах, % (Ершов, 1994): Si02 - 52,1-59,5; А1203 - 13,4-15,7; Fe203 - 5,2-12,4; ТЮ2 - 0,7-1,7; MnO - 0,1-0,2; MgO - 1,9-4,1; CaO - 3,6-10,3; Na20 - 1,4-1,5; К20 - 0,4-1,3; Р205- 0,1.
Почвообразующие породы представлены преимущественно продуктами выветривания массивно-кристаллических пород траппового комплекса (долеритов, габбро-долеритов, базальтов), имеющий разный генезис (элювиальный, элювиально-делювиальный, ледниковый, делювиально-криосолифлюкционный, озерно-ледниковый, аллювиальный, озерно-аллювиальный) и гранулометрический состав (глыбово-щебнисто-мелкоземистый, гравийно-галечно-мелкоземистый, от супесей до суглинков и глин) и довольно однородный литолого-петрографо-минералогический состав (Иванова и др., 1967; Ершов, 2004). Воздействие этих пород на почвообразование специфично, что обусловлено их химико-минералогическим составом. Средний химический состав траппов довольно постоянен, особенно в отношении железа и алюминия. Внутрипочвенное выветривание основных пород сопровождается накоплением глинистых минералов, марганца, титана, аморфных соединений железа, алюминия и кремния в профиле. Почвы, развитые на дериватах траппов, не имеют морфологически осветленного (подзолистого) горизонта (даже при наличии всех других факторов почвообразования, способствующих его формированию). Повсеместно развита многолетняя мерзлота, наличие которой стимулирует образование криогенного микро- и мезорельефа (полигонального, пучинного, термокарстового) (Соколов, 1976; Ершов, 1994).
Объекты исследований
Большая часть территории субарктического округа занята тундрами гольцового пояса, который охватывает склоновые террасы в пределах высот от 750-800 до 1350-1400 м. Тип тундровых формаций определяется высотой, экспозицией и крутизной склона.
Западный северотаежный округ занимает западную и юго-западную части плато. В состав древостоя наряду с лиственницей Гмелина входят лиственница сибирская, ель сибирская и березы извилистая и белая {Betula alba) с сопутствующими элементами западносибирской флоры. Они формируют леса с сомкнутостью крон 0,4-0,6. На сухих возвышенных местах развиваются зеленомошно-лишайниковые березняки с голубикой, черникой (Vaccinium myrtillus), хвощами (Equzetum sp.) и разнотравьем, в увлажненных - березняки с крупнотравьем. Подлесок представлен отдельными кустами ольховника, ив, можжевельника сибирского (Junlperus sibirica) или вообще отсутствует. Для смешанных березово-лиственничных и лиственнично-елово-березовых лесов характерны разнотравные ассоциации; встречаются небольшие участки еловых лесов, обычно зеленомошньк. Верхняя граница лесной растительности в этом округе проходит на высоте 200-400 м на севере и поднимается до 500-700 м на юге. В подгольцовом поясе хорошо выражена полоса ольховника. Тундры занимают примерно половину территории на севере, к югу их площадь сокращается. Подгольцовый пояс располагается на высоте 500-700 м. Для него характерно обилие ольховника, хорошо развит мохово-лишайниковый покров.
В гольцовом поясе преобладают дриадовые тундры: в нижней части -щебнистые, в верхней - каменистые. Лишайниковая тундра мало развита. На стыке с подгольцовым поясом встречаются среднетравные луга.
Северо-западная часть округа интересна в ботаническом отношении; непосредственная близость Норильского промышленного района делает ее высокоперспективной для организации и проведения долгосрочных мониторинговых работ с целью изучения последствий выбросов Норильского медно-никелевого комбината на растительный покров, установления индикаторных и наиболее стойких к этим выбросам видов.
В юго-западной - самой влажной - части плато богатство флоры повышается, причем разнообразие видового состава увеличивается как в лесном поясе, так и в высокогорье. Растительность южной части Путорана делится на высотные пояса: лесной, подгольцовый и гольцовый. Лесной занимает 60-70 % площади склонов; подгольцовый, сравнительно узкий, размещается в верхней трети склонов; на склонах, примыкающих к вершине, и на обширных плоских вершинах - гольцовый пояс (Водопьянова, 1976). 2.4. Антропогенный фактор
В Норильском промышленном районе, в зоне воздействия которого находится район исследования, наблюдаются многотоннажные выбросы сернистого ангидрида. В результате дымовых выбросов происходит массовое региональное усыхание лесов. Техногенные токсичные выбросы изменяют биогеоценотические функциональные и лабильные генетические свойства почв, что отражается на емкости и типе биогеохимического круговорота, физико-химических и химических характеристик (Обзор фонового состояния..., 2002).
Известно, что загрязнение почв сернистым ангидридом вызывает нарушение процессов питания растений, их заболеваемость и гибель. Устойчивость почв к химическим воздействиям зависит от физико-географических условий среды, от их буферности и самоочищающей способности. Ранее отмечалось, что почвы Заполярья характеризуются слабой буферностью и самоочищающей способностью (Лукина, 1996). В Норильской долине в соответствии с розой ветров четко выражен градиент размера выпадения поллютантов из атмосферы с севера, северо-запада на юг, юго-восток.
