«БИОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В СОСНОВЫХ БОРАХ СЕМИПАЛАТИНСКОГО ПРИИРТЫШЬЯ ...»

Долина Иртыша в Семипалатинском Прииртышье располагается преимущественно в пределах Прииртышской впадины, и лишь ее небольшой верхний отрезок пересекает предгорья Алтая. Современная долина Иртыша, представляющая более или менее плоскодонный эрозионный врез, ограниченный крутыми уступами высоких террас, простирается почти на 300 км от восточных до западных границ Семипалатинского Прииртышья. Ее ширина, считая пойму, колеблется от 1- до 8-10 км, имея тенденцию расширяться в западном направлении. Абсолютные высоты поймы возрастают примерно от 140 м у западных границ области, до м - у восточных. Современная долина реки в среднем на 2 м возвышается над меженным уровнем реки.

2.1 Эколого-геохимическая характеристика почвенного и растительного покрова Семипалатинского Прииртышья Почвенный покров Семипалатинского Прииртышья весьма разнообразен и представлен почвами гор, межгорных долин, высоких предгорных, мелкосопочных и низменных равнин. В равнинной части Семипалатинского Прииртышья почвенный покров характеризуется следующими зональными почвами: темнокаштановые, светло-каштановые, бурые и серо-бурые пустынные.

Темно-каштановые почвы распространены в северной части территории в предгорьях Калбинских гор, Тарбагатая и отчасти Чингизтау. Среди темнокаштановых почв значительное распространение имеют темно-каштановые нормальные, солонцеватые, «легкие» и глубоковскипающие. Мощность гумусового горизонта равна 40-60 см, содержание гумуса 3-4 %. По механическому составу преобладают средне- и легкосуглинистые разновидности.

Светло-каштановые почвы, распространенные на левобережье Иртыша в мелкосопочнике, в Чингизтау, Тарбагатае, в Калбинских горах, представлены в основном светло-каштановыми маломощными, формирующимися на двучленных суглинисто-галечниковых наносах, и малоразвитыми, а также «легкими» и глубоковскипающими, реже - нормальными и солонцеватыми. Мощность гумусового горизонта светло-каштановых почв равна 50 см, содержание гумуса - 1,5-3%, механический состав - среднесуглинистый.

Бурые и серо-бурые пустынные почвы занимают обширные пространства в южной части мелкосопочника и в пределах Балхаш-Алакольской впадины. Мощность гумусового горизонта бурых почв равна 35-45 см, по механическому составу преобладают песчаные разновидности. Из бурых почв широко распространены нормальные, встречаются солонцеватые и малоразвитые. Серо-бурые почвы встречаются среди бурых, а также образуют сплошную полосу на юго-западе и юго-востоке Прииртышья.

В пределах Семипалатинского Прииртышья значительно развиты различные интразональные (внутризональные и межзональные) почвы: луговокаштановые, лугово-бурые, луговые, лугово-болотные, такыры, солонцы, солончаки и др. Пойменные почвы занимают обширную пойму Иртыша и других рек.

На правобережье региона (территория Семипалатинского Прииртышья), а также в Зайсанской и Балхаш-Алакольской впадинах получили распространение боровые бугристые и равнинные пески. Общая площадь распространения песков составляет 599,4 тыс. га или не более 3,3% от площади всех почв [188].

Боровые ложбины сложены четвертичными песчаными отложениями и представляют собой бугристо-грядовые и грядово-ложбинные формы рельефа, существенно преобразованные эоловой деятельностью. Под сосновыми песчаными грядами развиты дерново-слабоподзолистые оглеенные почвы [211].

В пределах ленточных боров располагаются равнинные и бугристые боровые пески, охватывая целиком Ново-Шульбинский бор, Локтевскую ленту, а также окончания Барнаульской и Касмалинской лент. В Павлодарской области в Прииртышье боровые пески теряют вид лент, свойственных Алтайскому краю (Россия) и образуют острова лесов различных размеров, разделенных между собой степными и лугово-степными участками [24]. Растительный покров их представлен осветленными травяными (остепненными) сосновыми лесами и редколесьями. В почвах ленточных боров исключается возможность подзолообразования, а почвообразование протекает в направлении выщелачивания – осолодения [256].

На рисунке 1 приведена схема расположения ленточных приобских боров, в том числе и Прииртышских сосновых боров.

Значительное распространение в Семипалатинском Прииртышье имеют пески боровые равнинные закрепленные, образующиеся на древнеаллювиальных равнинных пространствах, сложенных слабослоистыми песчаными отложениями, бескарбонатными или бедными карбонатами. Грунтовые воды под пологом леса, преимущественно пресные или гидрокарбонатные, залегают на глубине до 3-6 м.

Естественная травянистая растительность под пологом сомкнутого леса может отсутствовать, а в осветленном бору представлена в основном степными травами.

Почвы равнинных песков лучше сформированы и более развиты, чем бугристых.

Они имеют слабовыраженный и слабодифференцированный, сверху серый, снизу серовато-бурый, довольно мощный гумусовый горизонт (А+В до 60-80 см) рыхлого сложения. С поверхности в мертвопокровном бору отмечается маломощная лесная подстилка. Слабосформированный рыхлый карбонатный горизонт обнаруживается на глубине 2-3 м. Во втором метре от поверхности местами наблюдаются ржавые железистые и черно-коричневые марганцовистые пятна.

Рисунок 1 - Схема расположения ленточных и приобских боров [24] Почвы сосновых боров Семипалатинского Прииртышья содержат небольшое количество гумуса, причем основная его масса сосредоточена в поверхностном слое, что характерно для большинства почв, сформировавшихся под лесной растительностью. Невелики и запасы валового азота (до 0,04-0,15). Отношение углерода к азоту сравнительно низкое (8-10), приближающееся к зональным темно-каштановым почвам, не характерное для лесных почв.

Карбонаты присутствуют в небольшом количестве и на значительной глубине. В верхних горизонтах содержится аморфный кремнезем (до 0,2%). Запасы подвижных питательных элементов небольшие, но довольно равномерно распределены по корнеобитаемому слою. Емкость обмена незначительная (до 4-7 мг-экв на 100 г). В составе поглощенных катионов основная роль принадлежит кальцию и отчасти магнию. Содержание обменных натрия и калия небольшое. Однако в поверхностном горизонте количество обменного натрия в ряде случаев повышено, что объясняется влиянием растительного опада. Реакция почвенных растворов слабокислая в верхней части профиля и слабощелочная в нижней. Почвы обнаруживают в верхних горизонтах гидролитическую кислотность и довольно значительную степень ненасыщенности.

Почвы боровых песков свободны от легкорастворимых солей на большую глубину. Пески боровые равнинные характеризуются по механическому составу как образования рыхлопесчаные, содержащие в поверхностных горизонтах около 5% частиц «физической глины». По гранулометрическому составу они представлены преимущественно фракцией мелкого песка в глубоких горизонтах местами обнаруживаются более тяжелые по механическому составу прослои, что свидетельствует о древнеаллювиальном происхождении этих песков.

Почвы равнинных ленточных боров Прииртышья имеют как морфологические, так и химические признаки осолодения и им наиболее подходит генетическое название - лесостепные осолоделые рыхлопесчаные почвы.

Пески боровые бугристые закрепленные отличаются всхолмленным бугристым рельефом с довольно многочисленными замкнутыми депрессиями - котловинами выдувания. Относительные высоты бугров составляют 3-6 м, достигая м. Почвообразующими породами служат также первоначально аллювиальные пески, но с поверхности, перевеянные на большую или меньшую глубину, в результате чего они отличаются лучшей отсортированностью, меньшей пылеватостью и карбонатностью, а также более рыхлым сложением. Грунтовые воды в основном пресные, залегают в большинстве случаев глубоко (до 6-10 м) на буграх и значительно ближе к поверхности - в котловинах. Естественная растительность представлена осветленными и остепненными сосновыми лесами и редколесьями невысоких бонитетов. Почвообразование здесь протекает так же, как и на боровых равнинных песках, но морфологические и химические свойства проявляются в ослабленной степени вследствие более молодого возраста почв. Почвенный профиль отличается более слабой дифференциацией на генетические горизонты, более глубоким вскипанием от соляной кислоты и более рыхлым сложением.

Пески степные бугристые закрепленные занимают незначительные площади в Бескарагайском и Бородулихинском районах. Рельеф бугристый с котловинами выдувания. Естественная растительность довольно сомкнутая (до 20-30%) и защищает пески от развевания. Она представлена различными степными псаммофитами (волосенец гигантский, качим метельчатый, полыни песчаная и веничная) и другими травами (типчак, тонконог сизый, ковыль песчаный). Почвообразование проявляется слабо. Почвенный профиль очень слабодифференцированный, рыхлого сложения, слабогумусированный лишь в самом поверхностном горизонте, свободный от карбонатов и легкорастворимых солей на большую глубину.

Пески степные кучевые слабозакрепленные занимают небольшие площади в Жанасемейском и Бородулихинском районах. Массивы этих песков появляются обычно вблизи населенных пунктов (например, у Новой Шульбы и восточнее Жанасемея) в результате неумеренной пастьбы скота. Они представлены многочисленными мелкими (до 1-1,5 м), обычно коническими кучами рыхлого, перевеваемого в сухое время песка, задерживающегося более высокой и менее изреженной растительностью.

Семипалатинские равнинный и бугристый песчаные лесные районы подразделяется на три подрайона соответственно выделяющимся здесь полосам ленточных боров: а) Алейский бугристый, б) Барнаульский равнинный и бугристый и в) Касмалинский равнинный. Растительный покров образуют в основном осветленные травянистые, остепненные сосновые леса и редколесья со степными ковыльно-типчаковыми, лугово-степными и луговыми полянами и прогалинами. Почвообразующими породами являются древнеаллювиальные песчаные отложения, перевеянные в районах с бугристым рельефом. Почвенный покров представлен преимущественно почвами боровых песков - своеобразными лесостепными осолоделыми слабогумусированными рыхлопесчаными почвами, промытыми от карбонатов на большую глубину. Кроме того, местами в небольшом количестве встречаются темно-каштановые, лугово-каштановые и луговые глубоко-вскипающие песчаные почвы, а также солоди лесные дерновые. Район имеет в основном лесохозяйственное значение и ограниченные возможности для сенокошения на суходольных и луговых сенокосах.

В пределах развития горного рельефа, где во многих случаях проявляется вертикальная зональность, распространены различные горные почвы: горнолуговые альпийские и субальпийские дерновые, горные лугово-степные и темноцветные субальпийские; горные черноземы кислые неоподзоленные, выщелоченные, обыкновенные и южные, горные темно-каштановые; горные светлокаштановые; горные бурые и серо-бурые пустынные почвы.

На предгорных равнинах и в межгорных долинах, там, где проявляется вертикальная зональность, распространены следующие почвы: черноземы выщелоченные тучные мощные зернистые и среднегумусные мощные и средне-мощные зернистые; черноземы обыкновенные среднегумусные и малогумусные среднемощные зернистые и черноземы южные малогумусные среднемощные зернистые;

темно-каштановые зернистые и темно-каштановые комковатые; светлокаштановые зернистые; светло-каштановые комковатые; сероземы северные. Все перечисленные выше почвы залегают согласно общей структуре вертикальной зональности, свойственной той или иной горной системе. С точки зрения родовой принадлежности среди черноземов обыкновенных и южных, а также темнокаштановых почв преобладают так называемые нормальные их генетические роды, но встречаются глубоковскипающие. Среди светло-каштановых почв на предгорных равнинах Тарбагатая господствуют карбонатные, встречаются «легкие»

глубоковскипающие, а в других районах распространены глубоковскипающие, нормальные, солонцеватые генетические роды. В межгорных долинах и на предгорных равнинах значительное распространение имеют в той или иной степени эродированные (смытые) почвы, отличающиеся в большинстве случаев карбонатностью.

В межгорных долинах и на предгорных равнинах встречаются интразональные почвы (полугидроморфные, гидроморфные, в том числе засоленные), образовавшиеся в условиях проявления вертикальной зональности: лугово-черноземные, лугово-каштановые, луговые, лесолуговые, лугово-сероземные, различные пойменные, а также солонцы и солончаки. Все эти почвы образуются в депрессиях рельефа под влиянием дополнительного увлажнения грунтовыми водами или водами поверхностного стока или теми и другими одновременно. Засоленные интразональные почвы образуются под влиянием минерализованных грунтовых вод или на засоленных почвообразующих породах.

Пространственное распространение основных почв на исследуемой территории представлено на рисунке 2.

1-8 почвы равнин и межгорных долин: 1 - черноземы южные; 2 - темнокаштановые; 3 - светло-каштановые; 4 - бурые пустынные; 5 - боровые и бугристые пески; б - луговые; 7 - солонцы; 8 - солончаки; 9-11 - почвы гор: 9 - горные черноземы; 10 - горные каштановые; 11 - горно-луговые.

Рисунок 2 - Почвенная карта Семипалатинского Прииртышья [188] 2.2 Эколого-геохимическая характеристика ленточных сосновых боров В Прииртышской впадине на юго-восточной окраине Западно-Сибирской равнины, на правом берегу реки Иртыш, простираются уникальные ленточные боры. Леса выполняют важную водоохранную и почвозащитную функцию в сельскохозяйственном секторе, а также защищают земли и города от формирования барханов и песчаных наносов. Леса также имеют большое рекреационное значение и являются основным источником древесного материала в регионе. При этом они характеризуются высоким риском пожаров, и за последние десять лет значительная часть лесов выгорела и подверглась незаконной рубке. Опасность возникновения пожаров выше всего в следующих видах лесов: сухой лес с высокими дюнами, сухие леса на покатых холмах, топографические низины и долины. В указанных видах лесов пожары бывают даже в дождливые годы. Сведение лесов пожарами и сплошными массовыми вырубками приведет к движению песков под действием постоянно дующих ветров - к дефляции и эоловым процессам. На правом берегу Иртыша уже отмечаются участки засыпания песком береговой полосы. Древнеаллювиальные пески с дюнно-бугристо-грядовым рельефом могут прийти в движение [24]. Перемещаясь в юго-западном направлении, они могут засыпать реку Иртыш. Все это будет способствовать усилению и расширению процесса опустынивания степной зоны.

Площадь ленточного бора Прииртышья составляет в среднем 545,0-658, тыс. га, из них 95,1 га ленточный бор Семипалатинского Прииртышья [121]. На юге боры образуют почти сплошную двухсоткилометровую полосу сосновых насаждений вдоль правого берега Иртыша, отдаляясь от него к востоку в пределах Павлодарской области Казахстана. В северо-восточном направлении сплошные боры разбиваются на отдельные ленты, охватывая целиком Ново-Шульбинский бор, Алейскую ленту; а также окончания Барнаульской и Касмалинской лент, располагающихся в ложбинах древнего стока. Длинные и узкие лесополосы произрастают здесь в песчаной почве. Названные четыре ленты реликтовых сосновых боров – это особая «полоса жизни» в степной и частично в полупустынной зонах, возникшая в результате последнего ледникового максимума. В Семипалатинском Прииртышье форму лент сохраняет лишь Алейский массив боровых песков в своей северной части. На юге он смыкается с песками Ново-Шульбинского бора и Барнаульской ленты, образуя почти сплошной Прииртышский массив, который в своей западной части расчленяется на отдельные изолированные островные массивы. Окончание Касмалинской ленты также изолировано.

Длинные и узкие сосновые ленточные боры представляют собой чистые сосновые редколесья, основным видом которых является сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.). Кроме сосны, в понижениях рельефа и на опушках встречаются осина (Populus tremula L.), образующая смешанные древостой, а также береза бородавчатая (Butula pendula L.), распространенная в депрессиях рельефа с довольно близкими грунтовыми водами. Из кустарниковых форм – калина обыкновенная из семейства жимолостных (Caprifoliceae, Viburnum opulus). Это травянистые боры, большей частью ксерофитизированные [112], под пологом соснового леса произрастают немногочисленные, но в основном степные травы (типчак, ковыль Иоанна, тонконог сизый, полынь Маршалла, мятлик боровой, в меньшем количестве – тимофеевка степная, вейник наземный, волоснец гигантский, василек сибирский, сушеница песчаная, качим метельчатый, вероника колосистая, бурачок извилистый, осочка приземистая, местами полынь песчаная, лапчатка бесстебельная, прутняк) и кустарники (спирея зверобоелистная, карагана степная). Сомкнутость трав под пологом леса колеблется от 3 – 5 до 10 – 20%. Местами встречаются куртины и массивы более сомкнутого, мертвопокровного сухого бора [121].

Исследования эколого-геохимического состояния территории Семипалатинского Прииртышья проводилось в 1995-2012 гг. На завершающем этапе работы было проведено исследование биогеохимических особенностей содержания тяжелых металлов в боровых песках, растениях и грибах сосновых боров Семипалатинского Прииртышья вдоль правобережья реки Иртыш с использованием атомно-абсорбционных методов.

Отбор проб производился с 2000 по 2009 гг. на территории Семипалатинских сосновых боров, согласно розе ветров и зоны прохождения следа радиоактивных выпадений ядерных испытаний 1949 года: в районе села Сосновка Бескарагайского района на границе с Алтайским краем Российской Федерации, в районе села Долонь, в районе села Бегень Бескарагайского района на границе с Павлодарской областью Республики Казахстан, в двух направлениях от города Семей (в районе пос. Контрольный и пос. Красный Кордон), с углублением в лес на 500м и в Бородулихинском районе - от Шульбинского водохранилища до села Бородулиха (рисунок 4).

Пробы растений отбирались в летне-осенние периоды, так как именно в это время года большинство травянистых растений находятся в фазе, как цветения, так и плодоношения.

Согласно лесорастительному районированию КазНИИЛХа исследуемые леса относятся к району сухостепных Прииртышских ленточных сосновых боров на песках Иртыша и провинции Прииртышских ленточных в ложбинах древнего стока.

В ходе исследования пробы отбирались в пяти типах бора: в сухих борах высоких, пологих и средних бугров, в западинном и равнинном борах, согласно классификациям Л.Н. Грибанова (1960) и К.А. Пашковского (1951) [72, 195]. На таблице 2 представлена хронология отбора проб для анализа.

Рисунок 4 - Схема отбора проб в сосновых борах Семипалатинского Прииртышья Примечание - на рисунке темными пятнами указаны места отбора проб. Согласно розе ветров: Бородулихинский район, окрестности г. Семей; по зоне прохождения следа радиоактивных выпадений: окрестности сел Долонь, Бегень и Сосновка в Бескарагайском районе.

Хронологический порядок и мероприятия по отбору проб Отбор проб боровых песков, анализ механического состава и химических свойств: содержание гумуса, карбонатов, рН и пр.

Отбор проб растений (травянистых, кустарниковых, деревьев).

Пробоподготовка к анализу, проведение аналитических работ.

2000Отбор проб боровых песков для проведения анализа содержания тяжелых металлов, пробоподготовка, проведение аналитических работ.

Отбор проб борового песка и органов сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) на месте пожара в районе с. Бегень (Бескарагайского Отбор проб песка для изучения распределения тяжелых металлов по 2004Статистическая обработка результатов, апробация результатов.

При отборе, транспортировке, хранении и подготовке почвенных и растительных проб для анализа были использованы методические указания, инструкции, опубликованные во многих научных работах и утвержденные в стандартах [89, 156, 157, 182, 212, 214, 224, 225, 278].

Объектом исследования были выбраны боровые пески, растения и грибы сосновых боров Семипалатинского Прииртышья. При прохождении маршрута в лесных фитоценозах сосновых боров для получения обобщеннорекогносцировочной характеристики использовали пробные площадки разного размера (10х10 м для древостоя и 1х1 м для травостоя) [82].

Исследуемая территория сосновых боров характеризуется простым древостоем, образованным деревьями примерно одной высоты (20-25 м), колебания между высотами отдельных деревьев не превышают 10-15%. Возраст древостоя подсчитывали методом годичных колец на пнях спиленных деревьев, в некоторых случаях по мутовкам, считая, что первая мутовка у сосны образуется в возрасте трех лет [82]. В древостое видом-эдификатором является сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) из семейства сосновые (Pinaceae L.). В большинстве случаев в древостое наблюдались деревья с узкими годичными кольцами, что свидетельствует о неблагоприятных экологических условиях (периодических засухах, морозах, пожарах), исследованные деревья входят в категорию средневозрастные (50-100 лет).

Производительность древостоев оценивали по бонитировочной шкале М.М.

Орлова [46, 269].

На исследуемых участках сосновых боров дифференциацию деревьев в древостое учитывали согласно классификации Крафта [269].

Важнейшее значение для учета лесосырьевых ресурсов, организации и ведения лесного хозяйства имеет продуктивность древостоев в возрасте спелости, т.е. фитомасса. Расчет фитомассы деревьев сосны обыкновенной производили по формуле 1/3r2hd, где = 3,14; r – радиус ствола дерева; h – высота дерева; d – плотность древесины (d – плотность древесины сосны равна 0,5 т/м2). Для вычисления фитомассы надземной части дерева, полученные значения фитомассы ствола из формулы представленной выше, умножили на поправочный коэффициент 1,4. Показатель плотности древесины сосны обыкновенный, поправочные коэффициенты для вычисления фитомассы надземной части дерева и общей фитомассы дерева взяли из соответствующих таблиц [76].

Инвентаризация лесных насаждений осуществлялась путем наземной ходовой таксации глазомерным и глазомерно-измерительными методами с применением элементов измерительной таксации.

На отдельных участках сосновых боров встречаются осина обыкновенная (Populus tremula L.) из семейства ивовые (Salicaceae Mirb.) и береза повислая (Betula pendula Roth.) из семейства берзовые (Betulaceae Gray.), являющиеся деревьями второй величины, появились в результате вторичной сукцессии и онипоявились после пожаров и интенсивной вырубки. В местах отбора проб березняки обнаружены только в окрестностях города Семей. Наибольшее количество осиновых колок обнаружено в Бескарагайском районе (Бегеньский лесхоз) наиболее близко расположенного к реке Иртыш (в 15-20 км).

Подлесок сосновых боров представлен кустарниками калины обыкновенной (Viburnum opulus L.) из семейства жимолостных (Caprifoliceae Juss.); караганы низкорослой (Caragana pumila L.) из семейства бобовых (Leguminosae Juzz.); шиповника коричного (Rosa cinnamomea L.), боярышника обыкновенного (Crataegus laevigata (Poir.) DC.), из семейства розоцветные (Rosaceae Juzz.), ивы прутовидной (Salix viminalis L.) из семейства ивовые (Salicaceae Mirb.). Полукустарниковый подлесок сосновых боров представлен малиной обыкновенной (Rubus idaeus L.) из семейства розоцветные (Rosaceae Juzz.). Кустарниковый и полукустарниковый подлески были обнаружены только в Бородулихинском районе, где лес практически примыкает к реке Иртыш.

Под пологом сосновых боров нет условий для обильного развития мезофильного разнотравья. Травянисто-кустарничковый ярус развит неравномерно и представлен немногочисленными, в основном, степными травами. В растительном покрове преобладают осоковые, степные дерновинные злаки и разнотравье.

Всего в исследуемых районах сосновых боров было обнаружено 52 вида травянистых растений из 19 семейств, доминантными из которых является осока стоповидная, типчак и мятлик степной (приложение А). Мохово-лишайниковый покров отсутствует.

Среди обнаруженных растений присутствует златоцвет весенний (Adonis vernalis L.) – растение, занесенное в Красную книгу Казахстана. Латинские названия растений даны по С.К. Черепанову и Арыстангалиеву С.А. [12, 289]. Для определения растений использовались определители [16, 230, 276]. Геоботаническое описание проведено мною лично, совместно с преподавателями кафедры общей биологии Семипалатинского государственного педагогического института кандидатом биологических наук доцентом Н.Ш. Карипбаевой и старшим преподавателем В.В. Полевиком.

Аналитическим исследованиям подвергались различные органы и ткани сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.): хвоя и побеги разного возраста; внешняя кора (корка, или ретидом), отобранная с южной и северной стороны дерева; древесина (вторичная ксилема с несколькими годичными кольцами прироста, являющаяся вторым крупным блоком центрального цилиндра); шишки второго года жизни ((strobilus) семенной орган голосеменных растений).

Особенное внимание уделялось хвое, поскольку она выполняет ассимилирующую функцию и определяет рост и развитие других органов. При отборе побегов (веток) руководствовались тем, что между хвоей и побегами одного года жизни существует наиболее тесная биохимическая связь, побеги других возрастов брались в совокупности, в частности в одну среднюю пробу были объединены ветки 5-7 лет жизни.

Пробы хвои и побегов разбирали по возрастным фракциям (хвоя – от 1 до лет, побеги от 1 до 7); древесину, корку и шишки высушивали при комнатной температуре и измельчали.

Для анализа содержания и распределения тяжелых металлов в лиственных породах деревьев и в кустарниковых растениях использовали листья, побеги текущего года, корку.

В виду определенных трудностей в отборе проб мицелия грибов, аналитическим исследованиям подвергались плодовые тела 12 видов грибов, 75 % из которых представляют некоторую пищевую ценность и являются микоризообразующими (приложение Б).

Выявление доминантных представителей макромицетов производили методом маршрутных ходов. Определение грибов проводили с помощью иллюстрированных справочников [70, 142]. Пробы грибов разбирали по отдельным органам, высушивали при температуре 105 С, тщательно размалывали до гомогенной массы [284]. Для определения тяжелых металлов в почве и в растительных образцах бралась навеска по 10 г, которую озоляли в муфельной печи при t 450 – 500 °С в течение 5-8 часов до светло-зеленоватого или белого цвета. Полученную золу переводили в раствор ускоренным методом с применением концентрированных минеральных кислот и перекиси водорода [156].

В ходе работы было проанализировано 174869 образцов растений, 292 грибов и 312 - почв (глубина взятия проб составила 0-30 см). В 144 почвенных пробах было изучено содержание тяжелых металлов на разных высотах барханов (вершина, средняя часть и основание), в качестве объекта исследования были выбраны барханы одинаковой высоты, примерно 5-6 м.

Химические элементы определяли в аналитическом центре объединенного института геологии, геофизики и минералогии СО РАН (г. Новосибирск) с применением методов атомно-абсорбционной спектроскопии (ААС) и электротермической атомизации для валового кадмия и для подвижных форм кадмия, свинца, меди, кобальта, никеля и бериллия. Используемые приборы: AAС модель SP фирмы PYE UNICAM (пламенная атомизация); AAС модель Zeeman/3030 HGAфирмы PERKIN-ELMER (электротермическая атомизация). Предел обнаружения составил для растений и валового содержания в почвах 0,005-10,0 мг/кг, для подвижных форм - 0,002-0,02 мг/л.

С целью более полной агрохимической и экотоксикологической оценки почв наряду с валовым анализом были изучены подвижные формы тяжелых металлов: кислоторастворимая (1н. раствор НСl), обменная (ацетатно-аммонийный буфер с рН 4,8), водорастворимая (бидистиллированная вода).

Определение содержания гумуса проводили по методу И.В. Тюрина, физической глины – по методу Качинского, емкость поглощения – по методу Бобко – Аскинази в модификации Грабарова с окончанием по Айдиняну, рН водный – потенциометрический [11, 56, 57, 81, 100, 101, 141, 154, 262, 268, 270].

Для выявления степени загрязненности боровых песков сосновых боров использовали общепринятый коэффициент концентрации Кс, который рассчитывали по валовому содержанию в боровых песках. Для расчета Кс использовали кларк элементов в литосфере [197]: Кс = валовое содержание (мг/кг) : кларк литосферы (мг/кг) (1).

Согласно работам В.Б. Ильина и др. [97, 98] коэффициент биологического поглощения (КБП) рассчитывается как отношение содержания элементов в золе растений к их валовым содержаниям в почвах, при этом КБП отражает потенциальную биогеохимическую подвижность элементов. Элементы с КБП > 1 «накапливаются» живым веществом. Остальные элементы, у которых КБП < 1, лишь «захватываются». В работе КБП был рассчитан относительно среднего содержания тяжелых металлов в боровых песках сосновых боров.

Для оценки тесноты биогеохимической связи состава живого организма с биосферой был рассчитан показатель биотичности элементов, который представляет отношение содержания элемента в органах к кларку земной коры [66, 118].

Для характеристики распределения элементов между живым веществом и абиотической средой были вычислены коэффициенты накопления (К Н1) [97] и (КН2) [20]. Коэффициент накопления (КН1) - отношение концентрации тяжелых металлов в воздушно-сухой массе грибов и растений (мг/кг) к концентрации валовой и подвижных форм соединений тяжелых металлов в почве (мг/кг).

Коэффициент накопления (КН2) выражает отношение содержания элемента в корнях к таковому в почве: КН2 = Скорни : Спочва, (3), где Скорни – содержание элемента в корнях, Спочва - содержание элемента в почве.

Коэффициенты накопления были рассчитаны относительно валового содержания металлов в почвах и их подвижных форм.

Для характеристики процессов перехода тяжелых металлов из корней в надземную часть травянистых растений рассчитывали коэффициент перехода (Кп), равный отношению содержания металла в надземной фитомассе к таковому в корнях [20]: Кп = снадз. : Скорни, (4), где Снадз. – содержание элемента в надземных частях, Скорни – содержание элемента в корнях.

Для характеристики степени прироста содержания тяжелых металлов в боровых песках относительно почвообразующих пород, были рассчитаны коэффициенты прироста, который выражает соотношение разности между содержанием тяжелых металлов в почве и в материнских почвообразующих породах, к общему содержанию в материнских почвообразующих породах – (N-M)/M, % [261].

При расчете биогеохимического круговорота тяжелых металлов древостоем использовали дополнительные индексы разложения фитомассы - коэффициенты, характеризующие интенсивность разложения опада и длительность сохранения подстилки в условиях данного биогеоценоза, равные отношению массы подстилки к массе годичного опада.

Для характеристики линейной зависимости между содержанием тяжелых металлов в органах растений и их содержанием в почве, были рассчитаны коэффициенты корреляции Пирсона. Двусторонняя корреляционная связь была выражена нами через показатели регрессии с помощью формул и уравнений, которые дают наглядное представление о форме и тесноте корреляционной связи между признаками. Полученные экспериментальные данные были обработаны вариационно-статистическими методами, которые описаны в руководстве Н.А. Плохинского с помощью программы Microsoft Excel [202].

Глава 4. Биогеохимия тяжелых металлов в почвах, растениях и грибах сосновых боров Семипалатинского Прииртышья 4.1 Валовое содержание и содержание подвижных форм тяжелых В почвенных процессах, в роли аккумулирующего агента, выступают органическое вещество и содержание в почвах карбонатов. Гумус, обеспечивает биогенное накопление тяжелых металлов и в то же время, способствует миграции и перераспределению их по почвенному профилю. Наличие карбонатного горизонта способствует формированию второго максимума металлов на уровне горизонта скопления карбонатов. Пески сосновых боров Семипалатинского Прииртышья, как и большинство почв, сформированных под лесной растительностью, содержат небольшое количество гумуса (таблица 7), основная масса которого сосредоточена в поверхностном слое. Присутствие карбонатов в песках наблюдается в небольшом количестве и на значительной глубине. В верхней части почвенного профиля обнаруживается слабокислая реакция, а в нижней – слабощелочная реакция почвенного раствора. Емкость катионного обмена (ЕКО) менее 4, т.е. буферность почвы – низкая. Проведенный анализ химического состава песков подтверждает, что боровые пески являются слабогумусированными, с низким содержанием органических веществ и отсутствием карбонатов в верхнем гумусовом горизонте. Следовательно, в боровых песках сосновых боров отсутствует биогеохимический барьер для металлов в виде карбонатного горизонта, препятствующий нисходящей миграции тяжелых металлов в профиле почв. Вместе с тем, климатические и погодные условия региона способствуют удерживанию тяжелых металлов в поверхностном горизонте, вследствие снижения интенсивности водной их миграции вглубь почвенного покрова.

Средний механический состав и химические свойства боровых песков сосновых боров Семипалатинского Прииртышья, Апах (глубина 1-20 см) Гумус, кар- водной < 0,001 на < 0,01 песок > 0,01 скопиэкв. на Климат региона в целом характеризуется как резко континентальный, с холодной относительно малоснежной зимой и жарким засушливым летом. Среднегодовое количество осадков составляет 244 мм. Основная часть их выпадает в летние месяцы, когда температура воздуха достигает своего максимума, что ведет к большой потере влаги за счет физического испарения. Засушливость климата определяется как небольшим количеством осадков, так и значительной продолжительностью бездождевых периодов. В течение всего года дуют сильные ветры, преимущественно западного и юго-западного направления. Средняя годовая скорость ветра в большинстве районов составляет 2,5-4,5 м/с [188]. Привносу соединений тяжелых металлов в виде аэрозолей, способных выпадать на дневную поверхность боровых песков, способствует и роза ветров, характерная для средней полосы Восточного Казахстана (рисунок 4).

Исторически сложившееся преобладание цветной и перерабатывающей промышленности в Восточном Казахстане, климатические факторы определяют характер накопления металлов в боровых песках сосновых боров. Валовое содержание тяжелых металлов в боровых равнинных и бугристых песках, по пунктам отбора, представлено в таблицах 8,9 и на рисунке 5.

Среднее валовое содержание тяжелых металлов в боровых равнинных песках сосновых боров по пунктам отбора, мг/кг (глубина 0-30 см) ЭлеВ районе с. Долонь, В районе с. Сосновка, В районе г. Семей, мент 10,100,51 (136,45) 9,600,48 (171,25) 14,500,33 (170,05) 70,676,64 (1590,84) 61,163,06 (2370,30) 76,553,83 (1560,12) 32,581,40 (303,81) 19,611,05 (402,41) 29,141,60 (518,14) 0,2830,005 (193,26) 0,2050,011 (198,80) 0,2980,017 (232,84) Cо 5,340,30 (25,84) 3,260,24 (37,52) 7,840,42 (31,32) Сr 15,261,04 (47,89) 18,031,08 (41,35) 23,321,21 (52,21) Ni 12,150,67 (63,17) 13,630,78 (64,43) 16,551,10 (56,39) V 42,682,46 (192,19) 32,871,82 (157,15) 40,312,08 (158,17) Ве 1,180,11 (26,23) 1, 840,11 (22,01) 2,050,09 (54,57) 333,50±62,94 (17,73) 333,28±59,63 (18,07) 326,16±52,87 (26,81) Sr 96,344,99 (824,90) 123,248,33 (805,60) 100,135,55 (732,30) Примечание - в таблицах 8-11,13 в числителе - х m х (Сv,%), в знаменателе min-max, n – количество проб Среднее валовое содержание тяжелых металлов в боровых бугристых песках сосновых боров по пунктам отбора, мг/кг (глубина 0-30 см) Эле- В районе с. Бегень мент (включая горельновка, n= 10 мей, n= 15 район, n= 8,430,45(18,81) 9,230,51(24,14) 11,140,56(28,14) 12,920,60(33,35) 45,802,18(39,21) 43,412,53(36,33) 50,402,39(38,48) 54,792,86(35,62) 17,030,81(22,10) 15,150,67(20,04) 16,440,74 (21,11) 16,420,74(21,47) Cо 5,110,30(15,55) 5,050,29 (14,91) 5,660,37 (16,62) 5,500,28(11,64) Сr 20,001,01(95,63) 22,021,13(112,21) 25,851,45(132,23) 18,371,41(68,93) Ni 10,920,45(59,64) 12,620,81(53,41) 16,530,84(60,17) 19,690,98(58,4) V 42,122,35(72,11) 45,152,40(77,84) 47,102,64(83,12) 38,352,61(74,5) Ве 1,430,09 (17,75) 1,850,15 (23,13) 2,010,18 (13,17) 2,670,06(22,6) Mn 441,00±90,15(37,0) 461,27±91,63 (39,5) 448,3±100,05 (35,0) 470,29±97,49(41,4) Sr 130,179,18(569,3) 121,366,01(375,4) 109,955,64(421,7) 108,326,41(455,5) Значительная территория сосновых боров находится в зоне влияния населенных пунктов Восточно-Казахстанской области, в том числе и города Семей.

Аккумулирование Cu, Zn, Pb, Cd, Co в равнинных боровых песках можно выразить следующим, убывающим рядом по пунктам отбора: в окрестностях г. Семей > в окрестностях с. Долонь > в окрестностях с. Сосновка; уменьшение концентраций Cr, Ni, Be отмечено в равнинных песках ряду в окрестностях г. Семей > в окрестностях с. Сосновка > в окрестностях с. Долонь; Мn - в окрестностях с. Долонь > в окрестностях с. Сосновка > в окрестностях г. Семей; повышенные концентрации V также отмечены в равнинных песках в окрестностях с. Долонь, а меньше всего в окрестностях с. Сосновка. Содержание Sr уменьшается в ряду равнинные пески в окрестностях с. Сосновка > в окрестностях г. Семей > в окрестностях с. Долонь. Несмотря на разброс в концентрации тяжелых металлов можно утверждать, что равнинные пески в окрестностях г. Семей более загрязнены Cu, Zn, Pb, Cd, Co, Cr, Ni, Be и V, чем пески в окрестностях с. Долонь и с. Сосновка Бескарагайского района.

5, 5, 5, 4, 4, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, Рисунок 5 - Кривые распределения тяжелых металлов по пунктам отбора в Примечание - на графике А – пункты отбора: 1 - в районе с. Долонь; 2 - в районе с. Сосновка; 3 - в районе г. Семей; на графике Б – пункты отбора: 1 - в районе с. Бегень; 2- в районе с. Сосновка; 3 - в районе г. Семей; 4 - Бородулихинский район.

Примерно схожую картину в распределении тяжелых металлов можно наблюдать по пунктам отбора в бугристых песках. Повышенным содержанием Cu, Zn, Pb, Cd, Co, Cr, Ni, Be и V отличаются бугристые пески в Бородулихинском районе и в окрестностях г. Семей. Территория Бородулихинского района находится в зоне влияния крупных промышленных предприятий г. УстьКаменогорска, Лениногорска, Зыряновска, а также Жезкентского горнообогатительного комбината. Город Семей до 1993-1995 гг. был многопрофильным промышленным центром, в котором было зарегистрировано 154 промышленных предприятия, которые многие десятилетия служили источниками поступления ряда тяжелых металлов и других элементов в систему «почва-растение» сосновых боров. Общий выброс в атмосферу вредных веществ от предприятий составлял 294 тыс. т в год, из них 47 тыс. т газопылевых выбросов; еще 72 тыс. т с выхлопными газами автотранспорта [189], что, несомненно, отразилось и продолжает отражаться на химическом составе боровых песков, растений и грибов сосновых боров.

На характер распределения металлов в боровых песках оказывает влияние физико-химический и морфологический их состав. Выявлено, что накопление тяжелых металлов в песках равнинных несколько отличается от такового в бугристых боровых песках (таблица 10, рисунок 6) и варьирует в широких пределах.

Пески равнинные являются более древними, им характерны морфологические и химические признаки осолодения, в отличие от бугристых песков. Процессы осолодения инициируют движение металлов в глубину почвы с почвенной влагой.

Восходящему движению металлов способствует развитие дернового процесса, практически отсутствующего на боровых песках. Бугристые боровые пески отличаются более слабой дифференциацией на генетические горизонты, еще более глубоким залеганием карбонатов и более рыхлым сложением [245, 250, 256]. Возможно, это и определяет различие в их сорбционной способности. Так, в боровых равнинных песках значительно выше накапливаются более тяжелые по атомной массе металлы - медь, цинк, свинец, кадмий и кобальт, различия могут достигать от 1,05 раза по кобальту до 58,2 раза по кадмию. В бугристых песках отмечены более высокие концентрации металлов с относительно невысокой атомной массой - хрома, никеля, бериллия, марганца, ванадия, исключение составляет стронций.

Среднее валовое содержание тяжелых металлов в боровых песках, мг/кг (глубина 0-30 см) 11,040,45 (503,24) 10,430,53 (26,11) 11,400,44 (159,25) 61,783,43 (1293,43) 48,602,49 (37,41) 69,464,51 (1870,42) 23,111,44 (312,53) 16,260,76 (21,18) 27,111,35 (408,12) 0,1670,008 (270,00) 0,00450,0003 (17,57) 0,2620,011 (208,30) Cо 5,420,31 (26,07) 5,330,31 (14,68) 5,480,32 (31,56) Сr 19,861,13 (67,59) 21,561,25 (102,25) 18,871,11 (47,15) Ni 14,410,84 (58,16) 14,940,77 (58,44) 14,110,85 (61,33) V 39,042,26 (128,00) 43,182,50 (76,88) 36,622,12 (169,17) Ве 1,840,11 (31,71) 1,990,12 (19,15) 1,690,10 (34,27) 418,05± 56,34 (26,07) 455,21±94,83 (38,21) 330,98±58,48 (20,87) Sr 110,586,41 (636,54) 117,456,81 (455,47) 106,576,29 (787,60) мг/кг Рисунок 6 - Распределение тяжелых металлов в бугристых и равнинных боровых песках сосновых боров Семипалатинского Прииртышья Бугристые боровые пески, имеющие форму барханов, достигают более 6 м в высоту, и это не может не отразиться на характере распределения тяжелых металлов. Распределение по высоте бархана четырех приоритетных для Семипалатинского Прииртышья металлов – загрязнителей (меди, цинка, свинца и кадмия) представлено в таблице 11 и на рисунке 7. Как видно из таблицы 11, содержание металлов от вершины к основанию бархана увеличивается. Вероятно, это связано с тем, что, во-первых, осуществляется непрерывный механический перенос частиц почвы с возвышенностей в низины, где они скапливаются в большом количестве, что сильно влияет на распределение и содержание тяжелых металлов в песках; во-вторых, в результате выпадения осадков происходит миграционный смыв химических элементов; в-третьих, на содержание тяжелых металлов в песках огромное влияние оказывают растения, численность которых также увеличивается сверху в низ.

Среднее валовое содержание меди, цинка, свинца кадмия в бугристых боровых песках на разной высоте бархана (Апах, глубина 0-30 см), n = Вершина 8,00,4(35,6) 44,2±2,4(24,3) 13,00,6(15,2) 0,00380,0002(15,7) бархана, h = Середина 8,30,5(36,9) 48,7±2,1(32,5) 16,20,7(24,2) 0,00470,0003(23,2) бархана, h = Основание 15,00,7(26,6) 52,9±3,0(30,2) 19,61,0(19,8) 0,00490,0005(13,3) бархана, Среднее по 10,40,5(33,0) 48,62,5(29,0) 16,30,8(19,8) 0,00450,0003(17,4) всему бархану 7,1-12,5 42,6-53,8 12,8-19,7 0,0030-0, При техногенной трансформированности почв значение коэффициента Кс больше 1, и чем выше степень загрязнения, тем больше значение Кс [108]. В исследованных боровых песках кларки концентрации кадмия и свинца составляют 1,3 и 1,4 их кларка в земной коре, соответственно. Вместе с тем, среднее валовое содержание примерно 82% изученных элементов (медь, цинк, кобальт, хром, никель, ванадий, бериллий, марганец и стронций) от 1,3 до 4,3 раза ниже их кларка в земной коре по А.П. Виноградову [43]. Установлено, что содержание свинца близко к уровню концентрации элемента в поверхностном слое почв мира (25, мг/кг) [107], но выше кларкового значения для почв Восточного Казахстана (15, мг/кг) [188]. Содержание меди, кадмия, кобальта и марганца в 1,2-1,9 раза ниже их региональных фоновых значений для средней полосы Восточного Казахстана, в пределах которого располагается Семипалатинское Прииртышье; однако концентрации свинца и цинка в 1,4-1,5 раза выше их региональных фоновых значений для средней полосы Восточного Казахстана (значение Кс в таблице 12).

100 мг/кг 0,006 мг/кг 0, 0, 0, 0, 0, Рисунок 7 - Распределение тяжелых металлов по высоте песчаного бархана Определенный вклад к природным массам свинца и цинка добавляют растворимые формы антропогенного происхождения, в частности выхлопные газы, аэрозоли от автотранспорта, лесные пожары [53, 71, 77, 80, 129, 134, 135, 271].

Для сосновых боров Прииртышья проблема лесных пожаров является наиболее акутальной. Влияние лесных пожаров является многоплановым и сложным [260], под их воздействием нарушается естественное равновесие между отдельными компонентами лесных экосистем.

Значения кларка и коэффициента концентрации тяжелых металлов в ПДК, *УДК Примечание - в таблице ПДК [254], *УДК [119].

Почва как неотъемлемая часть лесного сообщества также испытывает разностороннее влияние пожаров. Любое воздействие огня, как непосредственно, так и косвенно, отражается на химических и биологических свойствах почвы [33, 148]. Кроме того, в процессе тропосферной миграции происходит существенная трансформация состояния металлов, и часть форм, связанных с твердым веществом, переходит в растворимое состояние, и на поверхность почвенного и растительного покрова поступает значительно больше их растворимых форм, чем вовлекается в массообмен с атмосферой. Полученные рядом авторов результаты показывают, что наибольшие изменения под влиянием низовых пожаров происходит в верхних горизонтах почв: формируется новый маломощный органогенный пирогенный горизонт, который по химическим свойствам отличается от природных аналогов. В условиях боровых песков сосновых боров Семипалатинского Прииртышья низовые пожары носят катастрофический характер, приводя к исчезновению и без того малогумусированного поверхносного слоя, в зависимости от интенсивного пожара уничтожается вся подстилка, а иногда и часть подстилочно-гумусо-аккумулятивного горизонта, что согласуется с литературными данными [33, 129, 234]. Согласно проведенным исследованиям [293], наблюдается уменьшение влажности и увеличение объемной массы в исследуемых почвах после пожара. В ряде работ [260, 281] отмечается, что после пирогенного воздействия в верхних горизонтах почв происходит снижение кислотности, увеличивается содержание кальция и подвижных форм элементов минерального питания растений, что не может не повлиять на содержание тяжелых металлов в почвах и в растениях, произрастающих на них. По данным К.П. Куценогого и др. [135] в условиях бореальных лесов Западной Сибири, влияние пожаров сказывается в основном на глубине до 10 см.

Тяжелые металлы, попадая на поверхность почвенного покрова, претерпевают ряд превращений, и в зависимости от характера геохимических барьеров, свойственных данной территории, рассеиваются или накапливаются. Очевидно, это послужило определяющим фактором в том, что концентрации выше ПДК выявлены только для Zn от 2,7 (2,1-3,0 раза), валовое содержание других металлов ниже значений их ПДК (таблица 12). В тоже время в работе И.Ю. Бахаревой [19] отмечается, что для почв ленточных боров зон сухой и умеренно-засушливой колочной степи Алтайского края отмечается незначительное увеличение содержания свинца и кадмия в золе подстилки.

Тем не менее, исследование боровых песков значительных изменений в элементном составе, связанных с воздействием пожара, не выявило. Это, видимо, связано с тем, что основные особенности содержания и профильного распределения химических элементов почвы наследуется от почвообразующих пород, а почвообразование накладывает на них свой отпечаток в виде специфических проявлений биогенной аккумуляции, физико-химической и механической миграции элементов [264]. Данные А.И. Сысо согласуются с мнением ряда авторов, которые в своих работах утверждают, что главным фактором, определяющим содержание тяжелых металлов в почвах, при отсутствии загрязнения являются материнские породы [42, 101, 103, 104, 188]. В почве биотические и абиотические процессы сопряжены и находятся под контролем биогенного фактора. Биогенная аккумуляция препятствует выщелачиванию элементов, способствуя стабилизации почвы.

Растения проявляют избирательность по отношению к тем или иным элементам, что обусловлено выработанными в процессе эволюции механизмами обмена веществ. Специфический химический состав растений, участвующих в почвообразовании, изменяет соотношения элементов верхних горизонтах почвы по сравнению с почвообразующими породами. Для выявления участия растительности в формировании микроэлементного состава боровых песков сосновых боров сопоставив данные о содержании металлов в золе растений и почвообразующих породах (древнеаллювиальные пески и супеси) средней полосы Восточного Казахстана [188], было установлено, что в золе растений относительно почвообразующих пород содержится в 10,4; 30,7; 6,1 и 1,9 раза больше меди, цинка, марганца и кобальта, соответственно. Следовательно, в условиях боровых песков имеются предпосылки для аккумуляции данных металлов в верхних горизонтах почвы, благодаря растениям.

Очень часто процессам аккумуляции металлов в верхнем горизонте почв препятствуют геохимические факторы и водная миграция. Рассчитанные коэффициенты, характеризующие степень прироста содержания металлов в боровых песках относительно почвообразующих пород, показали, что прирост меди составил 18,7%, цинка – 54,1%, кобальта – на 8,4%, а марганца – всего на 0,3%. Причиной низкого содержания марганца является то, что не всегда дополнительные количества этого элемента, поступающие в пески биогенным путем, достаточно прочно удерживаются ими. В то же время, такой абиогенный элемент как кобальт, может накапливаться в верхней части почвенного профиля в значительных количествах, благодаря своей низкой миграционной способности, незначительному выносу растениями и приуроченностью к достаточно высокому диапазону гранулометрических фракций.

Относительно меди, цинка, кобальта и марганца построены ряды изменения их концентраций от почвообразующей породы, валового содержания в боровых песках и до содержания в растениях (средний показатель по всем исследованным растениям): по меди: 6,30 – 11,04 – 4,26; по цинку: 40,10 – 61,78 – 41,83; по марганцу: 372,5 – 418,05 – 76,84; по кобальту: 5,0 – 5,42 – 0,53. Данные соотношения концентраций тяжелых металлов могут указывать на то, что содержание меди, марганца и кобальта в поверхностном слое боровых песков более всего зависит от их содержания в почвообразующих породах. Несмотря на большую склонность к водной миграции цинк в боровых песках относительно почвообразующих пород накапливается в большей степени. Это связано с очень высокой его биогенностью и, как и кобальта, приуроченностью к достаточно широкому диапазону гранулометрических фракций [261]. Таким образом, микроэлементный состав поверхностного слоя боровых песков видоизменяется относительно почвообразующих пород, что является следствием биогеохимических процессов, происходящих в почве, в том числе и под влиянием растительности. Активную почвообразовательную роль растений можно проследить в отношении содержания в поверхностном слое боровых песков цинка. Учитывая коэффициенты биологического поглощения, благодаря травянистым растениям, поверхностный слой боровых песков относительно почвообразующих пород может получать значительные дополнительные количества меди, цинка, свинца, кадмия, кобальта, никеля, стронция и марганца, а благодаря грибам – свинца и кадмия.

Между концентрацией металлов в почвенных растворах и их поглощением корнями растений, как правило, существует прямая линейная зависимость. Сведения о валовом содержании тяжелых металлов в почвах не достаточны для того, чтобы оценить обеспеченность ими растений, необходимы данные о содержании мобильных форм металлов в почвах [92, 105], извлекаемых путем кислотной экстракции или с применением специфических комплексообразователей.

С целью более полной агрохимической и экотоксикологической оценки почв в задачи эксперимента, наряду с валовым анализом, входило изучение подвижных форм тяжелых металлов. Изучение подвижных форм химических элементов необходимо для выявления уровней толерантных и токсичных концентраций, нахождения ближайших резервных источников элементов в почве, способных поддерживать оптимальный уровень концентрации в почвенном растворе.

Информацию о содержании в почве подвижных форм соединений химических элементов можно использовать для оценки степени техногенного загрязнения [137].

Вклад техногенной составляющей в общее содержание химического элемента в почве можно оценить, используя экстракционный критерий, представляющий собой отношение содержания химического элемента в кислых вытяжках к их валовому содержанию, выраженное в процентах. В зависимости от физикохимических свойств и гранулометрического состава для фоновых почв это отношение составляет 5-20%, а для техногеннозагрязненных – более 50%. Вытяжка н. раствором НСl является показательной для сравнительной характеристики уровня загрязнения почв и выявления наиболее загрязненных участков [137, 233].

Раствор 1н. НСl вместе с обменными формами переводит в раствор и специфически сорбированные соединения металлов. Ацетатно-аммонийный буфер с рН 4, извлекает обменные формы [162].

Установлено, что содержание исследованных металлов в трех подвижных формах убывает в следующем порядке, мг/кг: в кислоторастворимой форме: Mn > Zn > Sr >Pb > Cu > V > Ni > Co > Cr > Cd > Be; в обменной: Mn > Sr > Zn >Pb > Be > Cr > Co > V = Ni > Cu > Cd; в водорастворимой форме: Mn > Sr > Zn >Pb = V > Co > Ni > Cd > Cu = Be.

Анализ закономерностей распределения подвижных форм металлов в верхнем горизонте боровых песков позволяет сделать вывод о том, что отчетливо выделяется биологическое накопление подвижных форм марганца. Таким образом, исследуемые боровые пески сосновых боров Семипалатинского Прииртышья можно отнести к биогеохимической провинции с резким дефицитом подвижного свинца, кадмия, меди, кобальта, хрома, никеля, ванадия, бериллия, стронция, цинка и повышенным содержанием подвижного марганца. Полученные данные согласуются с данными М.С. Панина [188], который характеризует почвы средней полосы Восточного Казахстана как богатые содержанием подвижного марганца, а почвы Прииртышской впадины бедными и очень бедными подвижным кобальтом, медью и цинком.

Среднее суммарное содержание подвижных форм тяжелых металлов в боровых песках и их соотношение иллюстрируют таблица 13 и рисунок 8.

Подвижные формы тяжелых металлов в боровых песках сосновых боров в верхнем горизонте почвы на глубине 0-30 см, n= Элемент Кислоторастворимая Обменная Водорастворимая 0,330,03(103,77) 0,0470,003(64,75) 0,0050,0002(31,63) 2,140,20(111,42) 0,730,04 (503,50) 0,080,0003(256,22) 0,80 0,05(61,48) 0,140,008(103,53) 0,050,0002(39,04) 0,0320,0017(112,67) 0,0060,0018(99,30) 0,0060,0002(232,74) 0,1290,007(106,87) 0,0530,003(27,47) 0,0190,001(17,68) 0,100,006(228,09) 0,060,003(44,88) 0,020,001(30,62) 0,150,009(101,14) 0,050,002(29,84) 0,010,006(33,78) 0,240,014(85,47) 0,050,003(15,35) 0,050,002(18,52) 0,0100,001(327,11) 0,0720,004(116,46) 0,0050,0003(118,31) 23,141,17(305,22) 6,170,36(2097,65) 0,330,02(93,00) 1,140,07(80,06) 0,880,05 (73,93) 0,110,006(107,58) Рисунок 8 - Соотношение подвижных форм тяжелых металлов в боровых песках сосновых боров Семипалатинского Прииртышья, мг/кг Установлено, содержание подвижных форм металлов в боровых песках не превышает ПДК для подвижных форм в почвах и составляет от 1,0 до 4,4 % его величины (таблица 14). Можно предположить, что между содержанием подвижных форм металлов имеется тесная связь с гранулометрическим составом боровых песков и содержанием в них гумуса.

Вместе с тем, информацию о содержании в почве подвижных форм соединений металлов можно использовать для оценки степени техногенного загрязнения [15, 137, 138]. Определение доли подвижной формы металлов, в общем, их содержании в песках сосновых боров позволяет выявить экологически неблагоприятные компоненты ландшафта, способные служить источником вторичного химического загрязнения сопряженных с боровыми песками сред – растительного и грибного покрова. В обследуемых боровых песках соотношение трех подвижных форм исследуемой группы металлов к их валовому содержанию, а, следовательно, и доступность для растений невелики и составляют для, %: Cd – 9,0; Mn – 2,4; Zn, Со и Ве – 1,6; Pb – 1,4; Сu – 1,1; Sr – 0,6; Ni – 0,5; Cr и V – 0,3 (рисунке 9).

Уровень содержания подвижных форм тяжелых металлов относительно ПДК почв для подвижных форм, извлекаемых ацетатно-аммонийным буфером с рН 4, Металл трагент ААБ рН 4,8) движной формы (эксметаллов от Примечание - ПДК для подвижной формы в почвах (экстрагент ААБ рН 4,8) [200, 215, 312].

Рисунок 9 - Доступность тяжелых металлов растениям, определяемая по соотношению подвижных форм тяжелых металлов к их валовому содержанию % На основе экстракционного критерия установлено, что боровые пески сосновых боров по отношению кислоторастворимых форм исследуемой группы элементов к их валовому содержанию, относятся к категории фоновых почв, %: Cd – 19,2; Mn – 5,5; Zn – 3,5; Pb – 3,4; Сu – 3,0; Co – 2,4; Ni=Sr – 1,0; V – 0,6; Cr=Be – 0,5. С одной стороны, это свидетельствует о благополучной обстановке почв. С другой стороны, является подтверждением их слабой обеспеченности подвижными формами микроэлементов для растений и, соответственно, повышенной уязвимостью почв при изъятии химических элементов из системы почвы – растения при сельскохозяйственной и лесной деятельности, вырубке лесов, пожарах, о чем также указывается и в работах С.Б. Сосоровой и др. [260].

Одной из важнейших форм соединений металлов в почвах является водорастворимая, характеризующая содержание их в почвенном растворе и определяющая во многом поглощение растениями и миграцию по профилю почвы. Конечно, более правильно выделять непосредственно водный раствор из активного почвенного образца с его естественной влажностью, но это сопряжено со значительной сложностью и трудоемкостью извлечения раствора, поэтому чаще всего используют водную вытяжку. Состав водной вытяжки и содержание в ней металлов определяется, прежде всего, кислотно-щелочным и окислительновосстановительным равновесиями, содержанием хелатообразующих соединений, активностью микробиоты и составом почвенной атмосферы.

Подвижность элементов в процессах выветривания сильно различается и определяется устойчивостью минералов их образующих и электрохимическими свойствами элементов. Содержание водорастворимой формы металлов в почвах определяется, главным образом, их адсорбционно-десорбционным равновесием, которое сдвигается в сторону прочносвязанной формы.

Изучение водорастворимых форм соединений металлов в боровых песках сосновых боров Семипалатинского Прииртышья (таблица 13) показало, что в водорастворимых формах содержится минимальное количество исследованных металлов от валового содержания: 0,05% Cu; 0,13 % Zn; 0,22 % Pb; 3,59 % Cd; 0, % Co; 0,10 % Cr; 0,07 %Ni; 0,13 %V; 0,28 % Be; 1,89 % Mn; 0,10 % Sr.

Выведенные регрессионные уравнения прямолинейной функции, показали, что между валовым содержанием и подвижными формами металлов в песках, обнаружена достоверно высокая прямая корреляционная зависимость (таблица 15), что подтверждается рассчитанными коэффициентами корреляции (r = 0,98-0,99).

Фоновое содержание металлов в каждом типе почв в основном подчиняется нормальному закону распределения, а уровень накопления в почвах, главным образом, зависит от состава почвообразующих пород [188]. В результате перераспределения элементов при массообмене между почвой и почвообразующей породой в ходе развития почв (по мере усложнения их структуры и функции) меняются концентрации тяжелых металлов, растет их флуктуация, но геохимическая специализация сохраняется, что подтверждает породогенность тяжелых металлов в почвах.

Полученные результаты по содержанию, накоплению и распределению тяжелых металлов в поверхностном слое боровых песков сосновых боров, позволяют предположить, что гипергенные процессы - почвообразование, водная миграция, климатические факторы, а также техногенное воздействие человека - вносят коррективы в первоначальный уровень содержания тяжелых металлов в материнском субстрате, но прямое влияние на содержание тяжелых металлов в почве имеют именно факторы почвообразования, а не породы.

Регрессионные уравнения прямолинейной функции, отражающие корреляционную зависимость между валовым содержанием и подвижными y = 17,366x + 19,587 y = 66,245x + 14,386 y = 1267,6x - 14, Почвообразование - это весьма активный процесс. Оно приводит к определенным нарушениям микроэлементного процесса, характерного для почвообразующей породы. При почвообразовании происходит не только биогенное накопление тяжелых металлов, но и изменение их пропорций в благоприятную для растений сторону [188].

4.2 Биогеохимические особенности содержание тяжелых металлов в органах древесных и травянистых растений сосновых боров Из числа факторов, оказывающих влияние на лесорастительные условия, наиболее существенное значение имеет климат, характеризующийся резкой континентальностью. Летом сюда проникают сухие и горячие ветры, дующие со среднеазиатских пустынь, зимой – арктический холод. В связи с этим, погодные условия отличаются сухостью. Высокими летними и низкими зимними температурами воздуха, неустойчивыми по годам количеством выпадающих атмосферных осадков, большим количеством солнечной радиации. Период активной вегетации древесных пород (температура воздуха выше +10 С) составляет 180 дней.

Продолжительность активной вегетации сокращается из-за поздне-весенних и ранне-осенних заморозков. Безморозный период длиться около 110 дней. Совокупность всех перечисленных отрицательных факторов оказывает неблагоприятное влияние на возобновление и рост древесных растений. Основной лесообразующей древесной породой семипалатинских сосновых боров является сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.). Ареал ее распространения довольно обширный. Тип растительности – интразональный, так как она произрастает в самых разнообразных природно-климатических условиях, что предопределяет ее сильно выраженную географическую изменчивость [193]. В отличие от других хвойных пород сосна обыкновенная имеет большую глубину покоя и меньше повреждается во время зимних оттепелей [194]. В то же время сосна обыкновенная отличается высокой чувствительностью к загрязнениям окружающей среды, что сказывается на продуктивности древостоя.

Из параметров фитоценоза наиболее значимыми считаются параметры древостоя, поскольку именно древостой принимает на себя основную нагрузку, определяя всю последующую циркуляцию элементов в лесной экосистеме, формируя малый круговорот веществ. В ходе исследования было рассчитано, что фитомасса древостоя сосны обыкновенной составляет 175,84 т/га; фитомасса надземной части дерева, включая фитомассу ствола, ветвей, коры, хвои – 246,18 т/га.

Исследование способности или возможности окружающей среды к восстановлению, что называется другими словами – ассимиляционным потенциалом, является ключевым вопросом экономики природопользования. Ассимиляционный потенциал - это способность окружающей среды к процессам биосинтеза. В данное понятие заложена идея, что биосфера способна усваивать, выдерживать негативные воздействия возмущающих внешних факторов: антропогенной и естественной деятельности. Исходя из этого определения, ассимиляционный потенциал это одна из функций биосферы, которая обеспечивает естественный круговорот веществ. Способность природной среды к восстановлению своих характеристик, определяется скоростью ассимиляции или усвоения и поэтому ее оценка может быть как качественной, так и количественной. Если знать величину ассимиляционного потенциала, то значит можно решить важнейшую проблему экономики природопользования: научиться разумно управлять хозяйственной деятельностью человека в рамках предельно допустимого давления на биосферу, до тех пор пока природная среда способна к ресурсо- и средообразующим функциям.

Превышение этих пределов ведет к нарушению территориально-экологического равновесия и потери устойчивости, то есть нарушению баланса между ассимиляционным потенциалом и антропогенной нагрузкой, которой был внесен хозяйственной деятельностью. Существует несколько воззрений на данный вопрос. В данной работе применен социально-экономико-экологический подход, подразумевающий ассимиляционную емкость территорий как одну из категории экологических функций. Определение ассимиляционного потенциала основывается на выявлении косвенных показателей антропогенной нагрузки, в частности уровень накопления тяжелых металлов древостоем, характеризующим экологическую ситуацию в сосновых борах. Количество химических элементов, находящихся в составе массы зрелого фитоценоза характеризуется емкостью биологического поглощения. При этом роль регуляторного звена принадлежит ассимилирующим органам, в частности хвое, определяющей рост и развитие других органов растения.

Под влиянием средового стресса сокращается длина хвои и площадь ее поверхности, что соответственно приводит к снижению продуктивности фотосинтеза. В условиях резко континентального климата, характерного для исследуемой территории, при довольно частом повторении засушливых лет хвоя у потомств сосны, достигает своих максимальных размеров и в большинстве случаев характеризуются «короткой» и «средней» хвоей. Однако в отдельные благоприятные по тепло- и влагообеспеченности вегетационного периода годы показатели ее длины закономерно возрастают [213]. От величины годичного роста хвои, длина хвои может достигать от 2-5 см, зависит и величина биогенного поглощения металлов. В годы, отличающиеся повышенным ростом хвои до 7-8 см за один вегетационный период, величина биогенной аккумуляции металлов хоть и незначительно, но возрастает. Иными словами, под влиянием определенных факторов внешней среды в конкретный момент времени изменяется химический состав не только отдельных органов и тканей растений, но и фитоценоза в целом. Важным показателем интенсивности биогеохимического круговорота является скорость обращения химических элементов, в том числе и тяжелых металлов.

Содержание и степень подвижности тяжелых металлов в растениях тесно связаны с особенностями рельефа и климата, свойствами почвообразующих пород и почв [187]. Базовым критерием, указывающим на естественный состав элементов, и соответственно, ненарушенный питательный режим фитоценоза, служит содержание химических элементов на фоновых территориях. Как показали исследования, боровые пески по уровню содержания тяжелых металлов можно отнести к фоновым территориям. Тем не менее, значительная часть сосновых боров находится в пределах населенных пунктов и испытывает на себе негативное антропогенное воздействие урбоэкосистем, что приводит к нарушению питательного статуса древостоев за счет нерегулярного привноса элементов – поллютатов. Зеленые насаждения обладают уникальной фильтрующей способностью, способны поглощать из воздуха и нейтрализовать в тканях значительные количества вредных компонентов промышленных эмиссий, способствуя сохранению оптимального газового баланса в атмосфере [295]. В тоже время, природные экосистемы, в том числе, расположенные в пределах населенных пунктов, наделены свойством самоорганизации, которое дает им возможность стабильно и продуктивно функционировать в сложившихся условиях. В связи с этим, в экологических исследованиях зеленые насаждения, а чаще сосну обыкновенную (Pinus sylvestris L.) активно используют как биоиндикационный показатель состояния окружающей среды, в том числе и на загрязнение тяжелыми металлами. Полученные данные о содержании тяжелых металлов в органах и тканях сосны обыкновенной, представлены в приложении В и на рисунке 10.

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что по мере роста растений элементы перераспределяются по их органам и тканям с определенной закономерностью, некоторые элементы накапливаются в тесной зависимости друг с другом. Так для ванадия и бериллия выявлено схожее распределение по органам сосны обыкновенной, которое можно выразить следующим, убывающим рядом: древесина > побеги > хвоя > шишки.

Кривые распределения концентраций цинка и стронция по органам сосны имеют ярко выраженное сходство (рисунок 10), одинаково уменьшается в хвое разного возраста, соответственно: хвоя 3 года хвоя 4 года хвоя 1 года хвоя года жизни. Распределение концентраций цинка и стронция в побегах имеет следующий вид: побеги 5-7 лет побеги 3 года побеги 1 года побеги 4 года побеги 2 года жизни. Несмотря на выявленное сходство в целом, имеются и некоторые различия, распределение данных элементов по органам и тканям сосны обыкновенной можно выразить следующими убывающими рядами, мг/кг:

для цинка: побеги (30,3) > хвоя (29,4) > древесина (23,7) > шишки (18,7);

для стронция: древесина (18,4) > побеги (15,9) > хвоя (13,0) > шишки (11,8).

Выявлено, что исследованные металлы неравномерно распределяются по органам и тканям сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), что можно выразить убывающими рядами в мг/кг:

медь: побеги (3,47) > древесина (3,04) > хвоя (2,53) > шишки (1,37).

Рисунок 10 - Распределение тяжелых металлов по органам Примечание - на рисунке представлены органы и ткани Pinus sylvestris L.: с 1по – хвоя 1-4 года жизни; с 5 по 9 – побеги от 1-4 до 5-7 лет жизни; 10- корка с южной стороны, 11 – корка с северной стороны дерева; 12 – шишки; 13 – древесина – совокупность годичных колец.

цинк и свинец, соответственно: побеги (30,0 и 3,51) > хвоя (29,76 и 2,77) > древесина (23,70 и 2,57) > шишки (18,72 и 0,77).

кадмий: древесина (0,136) > побеги (0,082) > шишки (0,056) хвоя (0,030).

кобальт; ванадий; бериллий и стронций, соответственно: древесина (0,426;

1,70; 0,096 и 18,39) > побеги (0,192; 0,95; 0,039 и 15,90) > хвоя (0,161; 0,79; 0,033 и 13,04) > шишки (0,126; 0,52; 0,015 и 11,76).

хром: шишки (1,57) > хвоя (1,35) > древесина (1,25) > побеги (0,98).

никель: древесина (1,21) > шишки (1,06) > хвоя (1,02) > побеги (0,86).

марганец: хвоя (135,99) > древесина (70,05) > побеги (56,93) > шишки (17,73).

Максимальное содержание большинства исследованных металлов отмечается в древесине сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), что можно принять за многолетнее суммарное накопление в стволе дерева. В лесных экосистемах древесина является основным хранилищем углерода и зольных элементов, накапливаемых лесными экосистемами, и это рассматривается как приспособление к автономизации их биологического круговорота [210]. Минимальное содержание металлов обнаружено в шишках. Известно, что у растительного организма имеется ряд защитных морфологических структур и разнообразных свойств, призванных оберегать жизненно важные центры, органы репродукции, например, шишки, от избыточного накопления металлов. Защитные механизмы основаны на уменьшении подвижности элементов, скорее всего за счет хелатирования. В качестве веществ, образующими с металлом хелат, могут служить аминокислоты, органические кислоты и два класса пептидов: фитохелатины и металлотионеины. В тоже время, какого-либо единственного механизма, обеспечивающего толерантность растения к нескольким разным тяжелым металлам, не существует. Для развития устойчивости к данному конкретному металлу используется не один, а несколько различных механизмов, повышения толерантности растений к металлам, направленных на удаление избыточного содержания металла из цитоплазмы и тем самым на предотвращение его возможных токсических эффектов [241].

Полученные результаты о содержании тяжелых металлов органами и тканями сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) легли в основу расчета биогеохимического круговорота металлов древостоем сосны обыкновенной в условиях сосновых боров Семипалатинского Прииртышья (таблица 17). При расчете использовали данные Л.Е. Родина и Н.И. Базилевич [227], согласно которым, наибольшие значения индекса разложения опада в тундре и болотах севера, в хвойных лесах – 10-17, а наименьшие (около 1) – в степях и полупустынях.

Показатели биогеохимического круговорота тяжелых металлов древостоем сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) Масса тяжелых металлов, вовлеченных в биогеохимический круговорот с учетом индекса разложения Важным фактором, определяющим рост, развитие и распространение различных видов растений являются климатические условия [193]. В ходе исследования установлено, что по показателю продуктивности древостой сосновых боров соответствует среднему классу бонитета (II-V), который составляет 95% от всех сосновых насаждений. Из этого следует, что почвенно-климатические условия вполне обеспечивают произрастание насаждений сосны обыкновенной средней производительности. Вместе с тем, почвенные, климатические и гидрологические условия не пригодны для произрастания полноценных лиственных насаждений.

Состояние древостоя на исследуемых участках сосновых боров по классификации Крафта соответствует I-III классу жизненности в зависимости от местопроизрастания. Полученные результаты позволяют предположить, что древостой сосновых боров характеризуется достаточно высокой емкостью биологического поглощения тяжелых металлов.

Установлено, что содержание бериллия, ванадия и свинца в органах и тканях сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) с возрастом увеличивается, т.е. происходит процесс бионакопления. Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.), являясь механическим барьером, в процессах миграции металлов, осуществляет их биоаккумуляцию в многолетней фитомассе (ствол, ветви, корка), при этом может происходить дисбаланс элементов питания, т.е. нарушение питательного статуса деревьев. На элементный состав органов и тканей сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) существенное влияние оказывает место отбора (приложение Г, рисунок 11), что отражается на интенсивности биогеохимического круговорота металлов фитомассой древостоя сосновых боров, классе бонитета и классе жизненности деревьев (приложение Д).

Определенную информацию о накоплении токсических веществ и об изменении режима питания растительного организма в целом дает листовой анализ [295, 296]. Листовая система является мощным воздушным насосом дерева, в наибольшей степени обеспечивающим поглощение и накопление значительного количества поллютантов [127, 149, 235].

Рисунок 11 - Содержание тяжелых металлов в органах и тканях Пункты отбора: сосновый бор в окрестностях: 1. с. Бегень; 2. с. Бегень (горельник 2007 г.); 3. с. Долонь; 4. с. Сосновка; 5. г. Семей; 6. Бородулихинский район Информация о содержании тяжелых металлов в листьях Betula pendula Roth. и Populus tremula L. в хвое Pinus sylvestris L. представлена на рисунке 12.

Рисунок 12 - Распределение тяжелых металлов в хвое Pinus sylvestris L. и листьях Сравнительный анализ выявил, что листья осины обыкновенной (Populus tremula L.) в бльших концентрациях накапливают медь, цинк, стронций, кадмий и кобальт по сравнению с листьями березы повислой (Betula pendula Roth.), аккумулирующими повышенные количества свинца, никеля, ванадия, бериллия и марганца. В сравнении с листьями, хвоя первого года жизни сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) отличается более низким накоплением практически всех рассматриваемых тяжелых металлов, кроме хрома, содержание которого превышает таковое в листьях осины обыкновенной (Populus tremula L.) и березы повислой (Betula pendula Roth.). Выявлены различия и в аккумулировании тяжелых металлов побегами первого года жизни. Выявлено, что содержания цинка, свинца, кадмия, кобальта, ванадия, бериллия и стронция выше в побегах осины обыкновенной (Populus tremula L.), а меди, хрома, никеля и марганца в побегах сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) (приложения В, Е). Установлено, что побеги березы повислой (Betula pendula Roth.) отличаются наименьшим содержанием всех изученных металлов.

Определенным депо по отношению к металлам служит и корка деревьев.

Корка значительно увеличивает диаметр ствола, а стало быть, и площадь его поверхности, что может играть важную функциональную роль в связывании металлов. В тоже время, распределение металлов в корке может существенно различаться, например, зольность корки с южной стороны и у сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) и у осины обыкновенной (Populus tremula L.), примерно в 1, раза больше, чем с северной стороны. Содержание всех исследуемых металлов с южной стороны, наоборот, меньшее, чем с северной от 1,1 до 3,4 раза в зависимости от элемента (приложения В, Е). Однако аккумулятивная способность корки хвойных и лиственных деревьев имеет ряд существенных отличий. Медь, цинк, свинец, кадмий, кобальт, ванадий и стронций (63,6% изученных нами металлов) накапливаются в корке осины обыкновенной (Populus tremula L.) в больших концентрациях, чем в корке сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), а хром, бериллий и марганец сильнее накапливаются в корке сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.). В корке обоих деревьев обнаружены равные количества никеля.

Оценивая среднее содержание металлов в органах и тканях деревьев, выявлено, что содержание свинца превышает в 2,3-7,6 раза ПДК, приведенные в работах Н.В. Лукиной и В.В. Никонова [147], органы и ткани сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) склонны к накоплению меди в концентрациях, равных 6, ПДК. В то же время среднее содержание всех металлов в органах и тканях исследованных деревьев (рисунок 13) во всех пунктах отбора значительно ниже критических и фитотоксичных их значений, приводимых в работах ряда авторов (таблица 21).

ПДК, критическое, токсичное, избыточное и фитотоксичное содержание металлов в растениях по данным разных авторов, мг/кг сухого вещества мент Критическое Токсичное Фитотоксичное Избыточное Примечание - в таблице данные ПДК [147]; содержание элементов в растениях:

критическое [306]; токсичное [308]; фитотоксичное [323]; избыточное [107].

Рисунок 13 - Среднее содержание тяжелых металлов в органах Pinus sylvestris L., Betula pendula Roth., Populus tremula L.

Сравнивая накопления металлов (по их средним значениям) в органах исследованных деревьев, показал, что осина обыкновенная (Populus tremula L.) в повышенных концентрациях накапливает свинец, кадмий, кобальт, цинк, ванадий и стронций. Вегетативные органы березы повислой (Betula pendula Roth.) усиленно аккумулируют соединения меди, никеля, марганца и бериллия, а сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) – соединения хрома.

Выведенные формулы геохимической специализации химического состава разных видов древесных растений указывают на то, что лиственные породы деревьев, в частности осина обыкновенная (Populus tremula L.), более склонны к накоплению кадмия и цинка.

Формула геохимической специализации для сосны обыкновенной (Pinus Cu0,06Sr0,04V=Сo=Cr=Be0,01; для осины обыкновенной (Populus tremula L.) Cd2,33Zn1,0Pb0,24Sr0,23Cu0,1Mn0,07Сo0,05 Ni0,02V=Be0,01Cr0,006; для березы повислой (Betula pendula Roth.) – Zn0,89Cd0,58Pb0,2Cu=Mn0,11Ni0,05Sr0,003Be=Сo0,02V=Cr0,01.

Выявлено, что уровень накопления металлов в органах и тканях древесных растений зависит от наличия промышленных источников загрязнения. Средняя концентрация кадмия в органах и тканях сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), произрастающей в районе г. Семей в 1,5-2,9 раз превышают ПДК. По всем пунктам отбора проб, кроме соснового бора в Бородулихинском районе, в органах и тканях сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) выявлено превышение ПДК по свинцу, в среднем в 5,1-12,2 раза. В бору в районе с. Сосновка (Бескарагайский район), что находится в 170 км к западу от г. Семей в органах и тканях сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) были обнаружены максимально высокие концентрации Ве (приложение В).

Следует отметить, что Бескарагайский район был подвержен мощнейшим пожарам конца 1990-х начала 2000 гг., и это нашло отражение в питательном статусе растений. Пожары вносят коренные изменения в лесные экосистемы [71, 134, 135, 308] и являются источником загрязнения окружающей среды, наносят не только экологический, но и экономический ущерб [260]. Воздействие пожаров на растительность заключается в формировании мозаичной и разновозрастной структуры, временном уменьшении экологического разнообразия [148], что, несомненно, влияет на микроэлементный состав растения, так как растения являются зеркалом элементного состава среды, в которой происходит их рост и развитие. При пожарах, помимо высоких температур, на деревья действуют также аэрозоли, выделяющиеся при горении, в составе которых присутствует большое количество химических элементов, в том числе и тяжелые металлы. Помимо этого, увеличенные концентрации свинца и кадмия в органах и тканях сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), могут быть обусловлены аккумуляцией этих элементов из атмосферных выбросов региона, являющегося центром перерабатывающей и цветной металлургии.

Исследование элементного состава листьев кустарниковых растений выявило, что концентратором меди, цинка, кадмия, кобальта, никеля, ванадия и марганца является ива прутовидная (Salix viminalis L.). Боярышник обыкновенный (Crataegus laevigata (Poir.) DC.) в высоких концентрациях накапливает соединения хрома и бериллия. Карагана низкорослая (Сaragana pumila Pojark.) менее всех склонна к накоплению цинка, кадмия, кобальта, ванадия и стронция. Калина обыкновенная (Viburnum opulus L.) отличается наименьшим содержанием свинца, шиповник коричный (Rosa cinnamomea L.) – меди, никеля и марганца. Металлонакопительная способность исследованных кустарниковых растений представлена в приложении Ж и на рисунке 14.

Рисунок 14 - Металлонакопительная способность листьев кустарниковых растений сосновых боров Семипалатинского Прииртышья, мг/кг Примечание – 1 – ива прутовидная (Salix viminalis L.), 2 – калина обыкновенная (Viburnum opulus L.), 3 – шиповник коричный (Rosa cinnamomea L)., 4 – боярышник обыкновенный (Crataegus laevigata (Poir.) DC.), 5 – карагана низкорослая (Сaragana pumila Pojark.) Распределение металлов в листьях кустарниковых растений можно представить по каждому из изученных металлов, убывающим рядом, мг/кг:

относительно меди: ива прутовидная (Salix viminalis L.) (6,76) > калина обыкновенная (Viburnum opulus L.) (4,32) > боярышник обыкновенный (Crataegus laevigata (Poir.) DC.) (2,34) > карагана низкорослая (Сaragana pumila Pojark.) (2,24) > шиповник коричный (Rosa cinnamomea L.) (1,13);

относительно цинка: ива прутовидная (Salix viminalis L.) (85,61) > шиповник коричный (Rosa cinnamomea L.) (64,34) > боярышник обыкновенный (Crataegus laevigata (Poir.) DC.) (64,23) > калина обыкновенная (Viburnum opulus L.) (53,53) > карагана низкорослая (Сaragana pumila Pojark.) (44,67);

относительно свинца: боярышник обыкновенный (Crataegus laevigata (Poir.) DC.) (2,23) > карагана низкорослая (Сaragana pumila Pojark.) (1,61) > ива прутовидная (Salix viminalis L.) (1,56) > шиповник коричный (Rosa cinnamomea L.) (1,41) > калина обыкновенная (Viburnum opulus L.) (1,12);

относительно кадмия и кобальта, соответственно: ива прутовидная (Salix viminalis L.) (0,18 и 1,54) > калина обыкновенная (Viburnum opulus L.) (0,15 и 0,41) > боярышник обыкновенный (Crataegus laevigata (Poir.) DC.) (0,13 и 0,36) > шиповник коричный (Rosa cinnamomea L.) (0,11 и 0,34) > карагана низкорослая (Сaragana pumila Pojark.) (0,004 и 0,13);

относительно хрома: карагана низкорослая (Сaragana pumila Pojark.) (0,63) ива прутовидная (Salix viminalis L.) (0,61) > шиповник коричный (Rosa cinnamomea L.) (0,36) > калина обыкновенная (Viburnum opulus L.) (0,33) > боярышник обыкновенный (Crataegus laevigata (Poir.) DC.) (0,24);

относительно никеля: ива прутовидная (Salix viminalis L.) (1,66) > карагана низкорослая (Сaragana pumila Pojark.) (1,25) > калина обыкновенная (Viburnum opulus L.) (0,87) > боярышник обыкновенный (Crataegus laevigata (Poir.) DC.) (0,53) шиповник коричный (Rosa cinnamomea L.) (0,52);

относительно ванадия: ива прутовидная (Salix viminalis L.) (0,91) > калина обыкновенная (Viburnum opulus L.) (0,81) > шиповник коричный (Rosa cinnamomea L.) (0,77) > боярышник обыкновенный (Crataegus laevigata (Poir.) DC.) (0,42) > карагана низкорослая (Сaragana pumila Pojark.) (0,17);

относительно бериллия: карагана низкорослая (Сaragana pumila Pojark.) (0,12) > калина обыкновенная (Viburnum opulus L.) (0,06) > ива прутовидная (Salix viminalis L.) (0,04) > шиповник коричный (Rosa cinnamomea L.) = боярышник обыкновенный (Crataegus laevigata (Poir.) DC.) (0,03);

относительно марганца: ива прутовидная (Salix viminalis L.) (122,42) > боярышник обыкновенный (Crataegus laevigata (Poir.) DC.) (56,58) > карагана низкорослая (Сaragana pumila Pojark.) (55,16) > калина обыкновенная (Viburnum opulus L.) (48,58) > шиповник коричный (Rosa cinnamomea L.) (27,73);

относительно стронция: шиповник коричный (Rosa cinnamomea L.) (90,0) > боярышник обыкновенный (Crataegus laevigata (Poir.) DC.) (75,47) > калина обыкновенная (Viburnum opulus L.) (51,56) > ива прутовидная (Salix viminalis L.) (46,34) > карагана низкорослая (Сaragana pumila Pojark.) (34,36).

Важным биогеохимическим показателем является зольность растения. Самой высокой зольностью характеризуются листья (хвоя) – 5-10 %, меньше - у коры и корней, наименьшая - у древесины – 0,2-0,5 % [272]. Зольность листьев деревьев и кустарников можно считать показателем их приспособленности к данным условиям, позволяет получить представление о некоторых особенностях почвообразовательных процессов и о степени загрязнения атмосферного воздуха, характеризуя газопоглотительную способность растений. В своей работе М.Д. Уфимцева и Н.В. Терехина [272] указывают, что чем больше зольность, тем лучше приспособлено растение к условиям произрастания. Высокие показатели зольности (2,32 при значениях 1,59-2,95) органов и тканей сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) на обследованной территории (приложение В), свидетельствуют о высокой газопоглотительной способности сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), наличии механизмов активной аккумуляции тяжелых металлов и др. химических элементов и не только из почвы, но и из атмосферного воздуха. Также выявлено, что содержание исследованных металлов в воздушно-сухой массе сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) находится в прямой корреляционной зависимости (среднее значение r = 0,9±0,15, t = 3,35, n =175) от их содержания в золе. Прямые корреляционные связи между содержанием металлов (кроме цинка) в золе и в воздушно-сухой массе растения установлены и для лиственных деревьев (среднее значение r = 0,69±0,16, t = 9,3, n =30). Для цинка установленные отрицательные корреляционные связи имеют низкую достоверность. Средние содержания цинка, свинца и стронция в золе органов и тканей сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в 1,2; 12,0 и 20,9 раза превышает их средние содержания в золе растений суши, представленных в работе В.А. Алексеенко [7].

Древесные растения питательные вещества получают из атмосферы и почвы [1]. Вместе с углеродом и кислородом из воздуха они поглощают часть зольных элементов, в том числе и тяжелые металлы. В ходе исследования установлены положительные корреляционные связи между подвижными формами цинка, кислоторастворимыми формами свинца, никеля, стронция, обменными формами кадмия, хрома, ванадия и стронция, а так же водорастворимыми формами кадмия, ванадия и марганца и их содержанием в органах и тканях Pinus sylvestris L. и обратные корреляционные связи между валовым содержанием ванадия и стронция в почве и в Pinus sylvestris L.; между подвижными формами бериллия в почве и его содержанием в Pinus sylvestris L.; между кислоторастворимыми формами кадмия, кобальта и марганца и водорастворимым свинцом и их содержанием в Pinus sylvestris L. (приложения К, Л). Рассчитанные коэффициенты накопления указывают, что основными источниками поступления данных металлов в органы и ткани сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) являются не общие запасы металлов в почве, а их подвижные формы и атмосферный источник (приложение М).

Проведенные исследования выявили, что органы и ткани деревьев сосновых боров отличаются повышенной металлаккумулирующей способностью и являются зелеными фитофильтрами, улавливающими техногенные загрязнители. Депонирование древесиной и внешней корой (коркой) значительных количеств металлов способствует предотвращению рассеивания металлов в окружающую среду.

По сравнительной интенсивности поглощения тяжелых металлов древесные породы располагаются в ряду: осина обыкновенная (Populus tremula L.) сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) береза повислая (Betula pendula Roth.).

В растительном покрове сосновых боров Семипалатинского Прииртышья преобладают осоковые, степные дерновинные злаки и разнотравье. Для исследованных травянистых растений также выявлена зависимость между содержанием тяжелых металлов в органах и тканях и наличием источников промышленного загрязнения. Максимально высокие концентрации кадмия, стронция и свинца, были обнаружены в растениях, произрастающих в сосновом бору в окрестностях г. Семей, предприятия и автотранспорт которого могут служить источником поступления аэрозолей металлов в атмосферный воздух (приложение Н). В сосновом бору в окрестностях с. Бегень в травянистых растениях наблюдаются повышенные концентрации цинка, кобальта и ванадия, а в растениях на месте пожара увеличено содержание хрома и марганца. Травянистый покров соснового бора в Бородулихинском районе в больших концентрациях накапливает соединения меди, никеля и бериллия. Повышенные концентрации бериллия в фитоценозе соснового бора являются следствием наличия на территории Восточно-Казахстанской области аномальных концентраций бериллия естественного и искусственного происхождения. Так, в 12.09.1990 г. на бериллиевом производстве объединения «Ульбинский металлургический завод» в Усть-Каменогорске произошел взрыв водорода, который привел к крупному выбросу бериллия в атмосферу. В результате в окружающую среду было выброшено около 63 кг порошкового бериллия. Превышение ПДК достигало 60-890 раз, при значениях ПДК для воздуха в пересчте на бериллий 0,001 мг/м [300]. Кроме того, Восточный Казахстан, в силу исторически сложившегося экономического развития, связанного с преобладанием цветной металлургии и горнодобывающей промышленности, является одним из наиболее неблагополучных регионов в Казахстане. Растения, отражая видовые особенности содержания металлов, несут, вместе с тем, локальную окраску состава среды их обитания. Выявлено, что по всем пунктам отбора, содержание меди (в 0,8-1,8), цинка (в 1,1-1,9), кобальта (в 1,2-3,1) и марганца (в 1,3-2,9) превышает их региональные кларковые значения для дикорастущих растений Семипалатинского Прииртышья. Относительно фоновых значений данных элементов для растений Восточного Казахстана, превышений средних концентраций по меди, свинцу, кадмию, кобальту, никелю, хрому, ванадию, бериллию и марганцу не обнаружено. По максимальным значениям концентрации выше фона обнаружены для меди, свинца, хрома и бериллия.

Содержание цинка в травянистых растениях по всем пунктам отбора выше фоновых его значений в 0,4-1,6 раза, максимальные концентрации цинка зафиксированы в растениях, произрастающих в сосновом бору в окрестностях г. Семей.

Вместе с тем, в среднем содержание меди, цинка, кобальта и марганца в 1,5; 1,3;

1,6 и 1,9 раза, соответственно, ниже концентраций их в растительности континентов по В.В. Добровольскому [77], кроме свинца, содержание которого в 3,0 раза выше данного показателя.

Химический состав среды формирует и химический состав организмов, закрепляя его в генетическом аппарате, что позволяет говорить о видоспецифичности накопления металлов в живых организмах. В настоящее время имеются многочисленные данные, свидетельствующие о том, что разные виды растений проявляют различную устойчивость к действию загрязняющих веществ [6, 90, 110].

Не являются исключением и травянистые растения сосновых боров Семипалатинского Прииртышья. Превышения ПДК кадмия [147, 319] в 1,1-21,1 раза обнаружены в надземной и подземной частях растений цмина песчаного (Helichrysum arenarium (L.) Moench), прострела раскрытого (Pulsatilla patens (L.) MILL.), лапчатки гусиной (Potentilla anserina L.), полыни горькой (Artemisia absinthium L.), полыни метельчатой (Artemisia scoparia Wald. et Kitt), тонконога тонкого (Koeleria gracilis (L.) Pers.), бурачка извилистого (Alyssum tortuosum Waldst. Kit. ex Willd.), тимофеевки степной (Phleum phleoides (L.) Karst.), овсяницы бороздчатой (Festuca sulcata Hack.), мари белой (Chenopodium album L.); в надземных частях растений девясила шероховатого (Inula aspera Poir.), василька русского (Centaurea ruthenica Lam.), василька сибирского (Centaureasibirica L.); в подземной части пырея ползучего (Agropyron repens L.). Содержание меди в корнях цмина песчаного (Helichrysum arenarium (L.) Moench) составляет 1,5-2,0 ПДК (таблица 26). В листьях цмина песчаного (Helichrysum arenarium (L.) Moench) концентрации свинца превышают ПДК в 1,2 раза; большинство изученных растений накапливают хром в концентрациях в 2,0 и более раз превышающих как его ПДК, так и его концентрации, являющиеся критическими для растений, а листья овсяницы бороздчатой (Festuca sulcata Hack.) накапливает хром в концентрациях в 16,0 раз превышающих эти показатели [265, 306]. Превышение ПДК по кобальту и никелю не зафиксировано. Содержание свинца в концентрациях равных 1,1-2,4 ПДК выявлены в листьях растений цмина песчаного (Helichrysum arenarium (L.) Moench), прострела раскрытого (Pulsatilla patens (L.) MILL.), бурачка извилистого (Alyssum tortuosum Waldst. Kit. ex Willd.), овсяницы бороздчатой (Festuca sulcata Hack.).

Для цмина песчаного (Helichrysum arenarium (L.) Moench) характерны высокие концентрации свинца и в корнях растений (1,2 ПДК). Наземная часить растений овсяницы бороздчатой (Festuca sulcata Hack.), пырея ползучего (Agropyron repens L.) аккумулируют соединения марганца в 2 и более раз превышающие критические его значения для растений; в подземной части тонконога тонкого (Koeleria gracilis (L.) Pers.) обнаружены концентрации марганца в 2,6 и 1,6 раза превышающие его критические и фитотоксичные концентрации для растений.

Уровни содержания металлов в травянистых растениях, относящихся к различным семействам, представлены в приложении П и на рисунке 15, из которых видно, что среднее содержание исследованных металлов значительно варьирует.

10 мг/кг 60 мг/кг 0,5 мг/кг 0, 0, 0, 0, 1,5 мг/кг 0, 4 мг/кг 0 мг/кг 0, 0, 0, 0, Рисунок 15 - Содержания тяжелых металлов в дикорастущих травянистых растениях сосновых боров Семипалатинского Прииртышья Примечание - растения располагаются по порядку: осоковые, мятликовые, луковые, маревые, гвоздичные, лютиковые, капустные, розоцветные, бобовые, зонтичные, астровые, ворсянковые, мареновые, тутовые, хвощевые, заразиховые, норичниковые, подорожниковые, спаржевые.