Geum.ru
   Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по земле  

На правах рукописи

ЕЖОВ Артем Юрьевич

ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЛАНДШАФТОВ

СЕВЕРО-ЗАПАДА КОЛЬСКОГО ПОЛУОСТРОВА

25.00.23 - физическая география и биогеография,

география почв и геохимия ландшафтов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата географических наук

Москва - 2012

Работа выполнена на кафедре геологии и геохимии ландшафта географического факультета Московского педагогического государственного университета

Научный руководитель:

Академик РАЕН, доктор географических наук, профессор

Добровольский Всеволод Всеволодович

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор

Евсеев Александр Васильевич

ведущий научный сотрудник кафедры рационального природопользования географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова

кандидат биологических наук,

Рогова Ольга Борисовна

заведующая лабораторией физико-химии почв Почвенного института имени В.В. Докучаева РАСХН

Ведущая организация:

Институт географии РАН

Защита состоится л21 мая 2012 года в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 212.154.29 при Московском педагогическом государственном университете по адресу: 129626, г. Москва, ул. Кибальчича, д. 16, ауд. 31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского педагогического государственного университета по адресу: 119991, г. Москва, ул. Малая Пироговская, дом 1, стр. 1.

Автореферат разослан л___ апреля 2012 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Наталья Николаевна Роготень

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Природные ландшафты Кольского Заполярья на протяжении более 60 лет испытывают интенсивное техногенное воздействие со стороны предприятий черной и цветной металлургии. Лесные биоценозы, находящиеся на пределе условий нормального существования (Раменская М.Л., 1983; Костина В.А., 2003; Королева Н.Е., 2009), аккумулируют значительные объемы загрязняющих веществ, в том числе высокотоксичных тяжелых металлов. Интенсивная промышленная эмиссия токсичных соединений существенно изменяет свойства почв (Чертов О.Г., Меньшикова Г.П., 1983; Евдокимова Г.А. и соавт., 1984; Израэль и соавт., 1989; Chertov O.G. et al., 1993; Никонов В.В., Копцик Г.Н., 1999; Евсеев А.В., 2002; Переверзев В.Н. с соавт., 2002), разрушает почвенные геохимические барьеры (Добровольский Г.В., Никитин Е.Д., 1986; Глазовская М.А., 1997), изменяет структуру растительных ассоциаций и биогеохимические особенности растений (Кабата-Пендиас А., Пендиас Х, 1989; Ильин В.Б., 1985, 1991; Касимов Н.С., 2004; Добровольский В.В., 2009).

Комплексные эколого-геохимические исследования природных биогеосистем, подверженных воздействию промышленных предприятий, позволяют выявить особенности накопления и миграции химических элементов в пределах систем элементарных ландшафтов, оценить объемы загрязняющих веществ, депонированных в их основных компонентах (Скарлыгина-Уфимцева М.Д., 1980; Сает Ю.Е. и соавт., 1990; Водяницкий Ю.Н., 2010). Установление эколого-геохимических особенностей природных и техногенно измененных ландшафтов позволяют прогнозировать дальнейшие изменения в пределах данных природных комплексов и рекомендовать методы и приемы их восстановления (Мелихов И.С., 1961; Красовская Т.М., Евсеев А.В., 1990; Глазов М.В., 1997; Мотузова Г.В., 2000, 2001; Никонов В.В. и соавт., 1999, 2005)

Цель и задачи исследования. Цель исследования - проведение комплексного эколого-геохимического исследования и оценка геохимического состояния ландшафтов крайнего северо-запада Кольского полуострова. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Изучение физико-географических условий и ландшафтной структуры региона в ходе полевых исследований и работы с литературными и статистическими данными;

2. Исследование почвенного покрова рассматриваемого региона, выявление особенностей распространения основных типов почв, их морфологическая, физико-химическая и геохимическая характеристика;

3. Характеристика растительного покрова региона, исследование вещественного состава распространенных видов растений;

4. Определение содержания кислоторастворимых форм и валовых концентраций тяжелых металлов (Cu, Ni, Mn, Co, Zn, Pb, Cd) в почвообразующих породах, почвенных горизонтах, снеге и наземных органах растений;

5. Оценка степени трансформации природных ландшафтов в зоне влияния горно-металлургического комбината Печенганикель, поселок Никель.

Объекты исследования. Объектами исследования являлись северо-таежные, лесотундровые и горно-тундровые ландшафты крайнего северо-запада Кольского полуострова, расположенные в пределах правобережной части долины реки Паз (Патсойоки) и обрамляющей серии останцовых возвышенностей.

Материально-фактическая база и методы исследования. В качестве картографической основы исследования были использованы топографические карты масштаба 1:200000 и 1:100000, а также ландшафтная карта заповедника Пасвик масштаба 1:25000, составленная к.г.н. Н.В. Поликарповой. В ходе исследования также использовались: тектоническая карта (1:1000000), геологическая карта (1:1000000 и 1:200000), почвенная карта (1:2000000) и другие картографические материалы.

Большая часть аналитических исследований проведены автором в лаборатории кафедры геологии и геохимии ландшафта МПГУ. Проведено более 2000 элемент-определений подвижных форм тяжелых металлов в образцах почв, почвообразующих пород, золе растений, снеговой воде; более 1500 элемент-определений валовых концентраций в почве и золе растений; более 1000 общих химических анализов; 50 гранулометрических и 40 минералогических анализов почвообразующих пород и минеральных горизонтов почв.

Статистическая обработка и анализ фактического материала проводились автором с использованием пакета Описательная статистика Microsoft Excel 2007.

Научная новизна. Впервые для крайнего северо-запада Кольского полуострова установлены эколого-геохимические особенности трансформации природных ландшафтов в условиях воздействия металлургического предприятия, расположенного в поселке Никель. Установлены особенности латеральной и радиальной миграции рассеянных элементов в пределах систем геохимически сопряженных ландшафтов. Выявлены особенности элементного состава покровообразующих видов растений.

Практическая значимость исследования. Фактический материал, полученный в ходе исследования, может быть использован как база данных при дальнейшем изучении, как рассматриваемой территории, так и сопредельных регионов. Результаты исследования внедрены в практику научной работы государственного природного заповедника Пасвик, использованы при подготовке ежегодного научного отчета - Летописи природы заповедника Пасвик (справка о внедрении № 221/003 от 10.07.2009). Результаты исследований за 2007-2008 гг. представлены в Министерство природных ресурсов и экологии Российской Федерации.

Результаты авторских исследований использовались при разработке и чтении учебных курсов Индикация состояния окружающей среды и География почв с основами почвоведения на географическом факультете Московского педагогического государственного университета.

Защищаемые положения.

1. Особенности проявления ландшафтообразующих факторов в пределах северо-запада Кольского полуострова предопределили разнообразие биогеосистем и, как следствие, геохимических обстановок, представляющих собой катены закономерно сменяющих друг друга элементарных ландшафтов.

2. Геохимические параметры фоновых ландшафтов характеризуются значительной активностью химических элементов и являются результатом особенностей функционирования биогеосистем на границе полярной и бореальной почвенно-биоклиматических зон.

3. Промышленные предприятия северо-запада Кольского полуострова являются источниками значительного объема рассеянных элементов, поступающих с атмосферными выбросами в ландшафты расположенные на расстоянии до 20-30 км. Почвенный покров аккумулирует значительный объем загрязняющих веществ, многие из которых относятся к высокотоксичным соединениям.

4. Растительный покров региона испытывает значительное техногенное воздействие, что сказывается на изменении естественных растительных ассоциаций, обеднении видового состава, вплоть до полного исчезновения растительности и формирования техногенных пустошей. В химическом составе наземных вегетативных органов растений наблюдается потеря биофильных элементов и накопление токсичных объемов Ni, Cu, Pb, Co.

5. Биогеосистемы северной и центральной частей заповедника Пасвик, расположенного в зоне распространения атмосферных выбросов ГМК Печенганикель, принимают значительные объемы поллютантов, концентрирующихся в подстилке, органогенных горизонтах почв и наземных частях растений.

Апробация работы. Основные результаты проведенного исследования докладывались на заседании комиссии геохимии ландшафта Московского центра Русского географического общества (2007, 2009), на научных чтениях МПГУ (2009), на совещании в рамках Круглого стола молодых ученых по приоритетным направлениям развития науки (Москва, 2009), на заседаниях кафедры геологии и геохимии ландшафта МПГУ (2007, 2009), а также на конференциях: V Международное совещание Геохимия биосферы (Новороссийск, 2008); Всероссийская научная конференция XII Докучаевские молодежные чтения Почвы и продовольственная безопасность России, (Санкт-Петербург, 2009); Региональная научная конференция л20-летие заповедника Кузнецкий Алатау (Кемерово, 2009); Всероссийская научная конференция XIII Докучаевские молодежные чтения Органо-минеральная матрица почв (Санкт-Петербург, 2010); I Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых Индикация состояния окружающей среды: теория, практика, образование (Москва, 2010); Международная конференция Ресурсный потенциал почв - основа продовольственной экологической безопасности России (Санкт-Петербург, 2011).

Публикация результатов исследований. По теме диссертации опубликовано двенадцать печатных работ общим объемом 2,64 п.л., в том числе три в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 155 страниц машинописного текста, включая 25 таблиц, 38 рисунков. Список литературных источников включает 146 наименований, в т.ч. 8 на иностранном языке.

Благодарности. Автор выражает особую благодарность научному руководителю академику РАЕН, д.г.н., проф. Всеволоду Всеволодовичу Добровольскому, искреннюю признательность за неоценимую помощь и поддержку при проведении полевых и лабораторно-аналитических работ, ценные советы и замечания к.г.н., проф. Л.В. Алещукину, к.г.н., доц. Е.Е. Куликовой и к.г.н., доц. Е.А. Фураеву. За помощь в организации полевых работ и предоставление литературных и статистических материалов по природе заповедника автор признателен заместителю директора ФГБУ Государственный заповедник Пасвик по научной работе, к.г.н. Н.В. Поликарповой, а также заведующей сектором рентгеноспектральных методов анализа ЦЛАВ ГЕОХИ им. В.И. Вернадского РАН, к.т.н. И.А. Рощиной за помощь в проведении валового химического анализа образцов почв и растений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертации, определены цель, задачи, объекты и предмет исследования, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, обоснованы научная новизна и практическая значимость результатов проведенного исследования.

В первой главе диссертации подробно рассматриваются физико-географические условия северо-запада Кольского полуострова. Площадь исследований составляет более 500 км2, в том числе 150 км2, принадлежащие заповеднику Пасвик. Распространены останцовые холмисто-увалистые равнины, перемежающиеся с низинами. Плоскоравнинные участки с абсолютными высотами от 20 до 60 м на севере и юге перемежаются с крупными массивами, достигающими высот 400-600 м над уровнем моря.

Регион исследования расположен в пределах Балтийского кристаллического щита, на западных структурах Кольского мегаблока и восточной части блока Инари, сложенных комплексом архейских и протерозойских пород осадочно-вулканогенного и метаморфического происхождения.

Четвертичные отложения представлены в значительной степени мореными толщами последнего оледенения, отличающимися грубым механическим и пестрым минералого-петрографическим составом. Местами они перекрываются флювиогляциальными отложениями и прослоями разнообразных пород, оставленных морем по долинам крупных рек во время серии позднеплейстоценовых трансгрессий. На возвышенных участках развиты криогенно-денудационные процессы, преобладают элювиально-коллювиальные отложения.

Согласно климатическому районированию Б.П. Алисова (1954) северо-запад Кольского полуострова расположен в пределах субарктического климатического пояса и атлантико-арктической зоне умеренного пояса. Формирование климатических условий в значительной степени определяется близостью вод Северного Ледовитого океана, что характеризует погодно-климатические условия как типично морские с характерной сменой движения воздушных масс по сезонам года.

Гидрографическая сеть представлена разветвленными озерно-речными системами с многочисленными притоками. Питание рек преимущественно снеговое (55-60 %), в режиме выделяются летняя и зимняя межени. Низкая минерализация речных и озерных вод (менее 200 мг/л) характеризует их как ультрапресные.

Особенности природы региона определяют широкое распространение болотных массивов и заболоченных земель. Большая часть рассматриваемой территории относится к провинции карело-финских лаапа. Мощность торфа обычно не превышает 200 см.

Почвенный покров исследуемой территории имеет сложную структуру, представлен комплексом альфегумусовых, органогенных и горно-тундровых почв. Наиболее распространенным типом почв являются гумусово-железистые подзолы, занимающие обширные пространства склонов возвышенностей и межгорных долин, характеризующиеся легким механическим составом, малой мощностью (до 40-60 см), хорошей дифференциацией на генетические горизонты, заторфованностью органогенных горизонтов, отсутствием оглеения и малым содержанием илистых частиц. Органогенные почвы занимают около 25 % территории рассматриваемого региона.

Исследуемая территория северо-запада Кольского полуострова располагается в пределах Северо-западного флористического района и согласно современному ландшафтному делению относится к бореально-субарктической лесотундровой зоне, к зонально-секторному типу слабоконтинентальных кольско-лапландских лесотундровых ландшафтов в пределах докембрийского Балтийского щита (Раменская, 1983; Исаченко, 1985).

Сосновые леса со значительным участием березы в древостое - основной тип естественного растительного покрова на рассматриваемой территории. На склонах крупных возвышенностей, главным образом южной и западной экспозиций, развита высотная поясность. Сосновые редкостойные леса сменяются поясом березового криволесья, переходящего в низкорослую кустарничково-лишайниковую и гольцовую горную тундру.

Вторая глава диссертации посвящена описанию методов, использованных при проведении полевых и лабораторно-аналитических работ. Полевые исследования осуществлялись автором в 2007-2009 гг. В ходе полевых исследований было заложено 10 профилей (табл. 1), в пределах которых проведено детальное описание 48 точек и выделены геохимические катены.

Два профиля, заложенные в непосредственной близости от поселка Никель, представляют ландшафты, подверженные интенсивному техногенному воздействию. Остальные профили заложены на территории, условно принятой нами за фоновую. Большая часть ключевых точек катен расположена в пределах заповедника Пасвик. На всех точках проводился сбор образцов покровообразующих  видов растений (350 образцов), почвенных генетических горизонтов (170 образцов) и почвообразующих пород (40 образцов).

Табл. 1. Распределение опорных точек профилей.

№

название профиля

расположение

№№ разрезов

фоновая территория

1

53-й пограничный столб

юг заповедника Пасвик

01-07, 02-07, 03-07, 04-07,

05-07, 06-07, 42-08

2

Варламасаари

юг заповедника Пасвик

08-07, 09-07, 10-07, 11-07,

12-07, 13-07

3

Кирпичный завод

север заповедника Пасвик

14-07, 15-07, 36-08, 37-08,

43-08, 44-08

4

Глухая плотина

север заповедника Пасвик

16-07, 17-07

5

г. Кораблекк

г. Кораблекк

18-07, 19-07, 20-07, 29-07,

30-07, 31-07

6

Раякоски

пос. Раякоски,

пос. Янискоски

07-07, 21-07, 22-07

7

г. Калкупя

г. Калкупя, центр заповедника Пасвик

23-07, 24-07, 25-07, 26-07,

27-07, 28-07

8

г. Каскама

г. Каскама

32-08, 33-08, 34-08, 35-08

территория, подверженная интенсивному техногенному воздействию

9

Никель - юг

0,6-1,5 км южнее пгт. Никель

38-08, 39-08, 40-08, 45-09

10

Никель - юго-запад

2-5 км юго-западнее пгт. Никель

41-08, 46-09, 47-09, 48-09

Отбор почвенных образцов проводился по общепринятой методике (Агрохимические методыЕ, 1960; Методические рекомендацииЕ, 1981; Фомин, 2001). Для оценки объема атмосферной эмиссии химических элементов в рассматриваемые ландшафты в холодный период года в районе поселка Никель проводился отбор снега (20 образцов по двум профилям).

Большая часть аналитических исследований проведена лично автором в геохимической лаборатории кафедры геологии и геохимии ландшафта МПГУ.

Образцы почвообразующих пород и минеральных почвенных горизонтов подвергались гранулометрическому и минералогическому анализу с использованием метода разделения в тяжелых жидкостях (бромоформ). Для мелкоземистой части почв по общепринятым методикам (Агрохимические методы Е, 1960; Аринушкина, 1961, 1970; Алещукин, 1971) определялись основные физико-химические свойства. Почвенные липиды определялись в спиртобензольной вытяжке в аппарате Сокслета (Фридланд, 1978).

В солянокислых вытяжках (1 н. HCl) на атомно-абсорбционном спектрометре Спектр-5-3 в почвенных горизонтах и почвообразующих породах определялось содержание кислоторастворимых форм Cu, Ni, Mn, Co, Pb, Zn, Cd. Определение валового химического состава почвенных горизонтов и золы растений проведено в Институте геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН рентгенофлуоресцентным методом на спектрометре Axios Advanced фирмы PANalytical.

Растительный материал подвергался сухому озолению по общепринятой методике при температуре 350-400оС. В солянокислой вытяжке (10 % HCl) из золы определялись Ca и Mg (колориметрический метод), Cu, Ni, Co, Mn, Pb, Zn, Cd и Sr (спектрометрический метод).

Исследования талой снеговой воды включали в себя комплекс гидрохимических анализов (определение основных анионов и катионов, общей минерализации) и определение серии тяжелых металлов (Cu, Ni, Mn, Pb, Zn, Co, Fe).

Полученные аналитические данные обрабатывались методом математической статистики. При обработке полученной информации рассчитывались следующие общепринятые коэффициенты: латеральной миграции (Кл), почвенной дифференциации (Кпд), биологического поглощения (Кб), концентрации химического элемента (Кк), суммарного загрязнения (Zc).

В третьей главе диссертации рассматриваются физико-химические и эколого-геохимические параметры распространенных типов почв и почвообразующих пород северо-запада Кольского полуострова.

Господство среди четвертичных отложений крупнообломочных морен и грубозернистых коллювиальных толщ способствуют формированию подзолов с легким механическим составом. Мелкозем во многих изученных образцах уступает крупнообломочным фракциям, представлен средне- и мелкопесчаными обломками с высокой ролью крупной пыли (табл. 2).

Табл. 2. Гранулометрический состав илювиально-железистого подзола.

содержание фракций (мм), в %

> 5,0

5,0-3,0

3,0-2,0

2,0-1,0

сумма крупноземистых фракций

1,0-0,5

0,5-0,25

0,25-0,1

0,1-0,05

0,05-0,01

0,01-0,005

0,005-0,001

<0,001

сумма мелкоземистых фракций

сумма

Разрез 07-07, иллювиально-железистый подзол на средневалунной морене.

Катена "Раякоски"

горизонт А2

1,2

2,1

5,6

4,2

13,1

7,5

11,2

27,5

35,1

0,2

3,7

0,7

0,9

86,9

99,9

а

распределение фракций мелкозема

(от 100%)

а

8,7

12,9

31,7

40,4

0,2

4,2

0,8

0,9

горизонт ВF

14,7

5,9

3,0

4,5

28,1

6,9

12,0

24,0

20,8

1,2

2,1

1,0

3,8

71,9

100,0

а

распределение фракций мелкозема

(от 100%)

а

9,6

16,7

33,4

28,9

1,7

3,0

1,4

5,3

горизонт С

21,7

9,6

3,9

6,0

41,1

6,2

11,9

23,4

13,6

0,1

0,5

0,3

2,4

58,2

99,4

а

распределение фракций мелкозема

(от 100%)

а

10,6

20,4

40,2

23,4

0,2

0,8

0,4

4,1

В исследованных горизонтах почв и почвообразующих породах преобладают  минералы легкой фракции, ведущая роль среди которых принадлежит кварцу. На долю тяжелых минералов приходится обычно не более 20 %. Установлено, что чем меньше размер зерен, тем выше содержание темноцветных минералов, среди которых выделяются роговая обманка, гранаты альмандинового ряда, минералы группы цоизита, циркон, сфен.

Валовый химический состав почв исследуемого региона в значительной степени связан с составом коренных и четвертичных отложений. В таблице 3 приведены результаты валового химического состава двух образцов коренных пород, иллювиально-железистого подзола на морене (разрез 10-07) и горной торфяно-болотной почвы на элювии (разрез 27-07).

Табл. 3. Валовый химический состав почв и коренных пород

(в % на прокаленную навеску).

образец

ППП*

SiO2

TiO2

Al2O3

Fe2O3

MnO

MgO

СаО

Na2O

К2О

Р2О5

хлоритовый

сланец

3,15

54,60

1,44

12,34

15,30

0,19

4,59

8,37

2,22

0,59

0,13

гнейс

1,27

49,52

0,19

15,59

9,47

0,16

7,91

14,34

1,44

0,26

0,08

разрез

10-07

Ао

91,13

42,50

1,03

7,78

7,55

1,79

3,38

16,23

2,59

3,83

4,45

Aт

71,46

62,65

1,17

9,64

4,73

0,69

2,00

8,86

2,98

1,96

1,56

A2

1,22

76,19

0,38

11,54

2,23

0,04

1,11

3,15

3,93

1,15

0,05

BF

5,86

70,23

0,47

14,56

5,02

0,07

1,25

2,95

3,19

1,14

0,38

C

1,87

72,40

0,49

12,23

4,16

0,07

2,58

3,26

3,27

1,12

0,11

разрез

27-07

T1

92,86

59,52

0,70

12,32

8,68

0,13

1,68

8,12

1,26

1,54

4,50

T2

29,56

69,28

0,80

13,77

3,76

0,08

0,74

3,56

3,18

1,25

0,43

Т2/С

8,87

72,67

0,52

12,76

4,05

0,08

1,25

3,51

3,26

1,11

0,13

С

3,76

71,57

0,47

12,11

4,23

0,08

1,64

3,84

3,43

1,22

0,15

*ППП - потери при прокаливании, в %.

Результаты валового анализа почв разных типов указывают на некоторые схожие признаки. Отмечается увеличение содержания SiO2 и Al2O3 при движении от верхних горизонтов к почвообразующей породе. Органогенные горизонты характеризуются значительным накоплением питательных элементов в сравнении с горизонтом С, что особенно характерно для P, Ca и K. Перераспределение основных элементов по почвенному профилю подзолов происходит по элювиально-иллювиальной схеме, а в органогенных почвах - преимущественно по поверхностно-аккумулятивной схеме.

Кроме основных элементов в почвенных горизонтах определялся ряд рассеянных элементов. Их максимальная концентрация выявлена в верхних органогенных горизонтах почв, а перераспределение по профилю схоже с петрогенными элементами (рис. 1). Наиболее высокие концентрации в верхней части профиля отмечены для Ba, Ni, Sr, Cu, Zn, Zr и V, достигающие обычно 0,1 % от прокаленной навески.

Таким образом, формирование химического состава генетических горизонтов почв определяется исходным пестрым минералогическим составом почвообразующих пород и особенностями латеральной и радиальной миграцией химических элементов.

Рис. 1. Валовое содержание рассеянных элементов в профиле типичного иллювиально-железистого подзола (разрез 17-07) (в % на прокаленную навеску, логарифмическое распределение).

В почвенных горизонтах проводилось определение основных физико-химических свойств. Почвы фоновой территории отличаются сильнокислой и кислой реакцией (3,5-4,5), высоким показателем гидролитической кислотности в горизонтах Ао, Ат и Т1 (100-200 мг-экв/100 г), слабой насыщенностью почвенного поглощающего комплекса (5-40 %). Органическое вещество почв представлено в основном грубым гумусом и составляет 90-95 % в торфяных горизонтах, 60-70 % в горизонтах Ао, 4-8 % в иллювиальной части подзолов, 0,2-1,0 % в подзолистых горизонтах. Во фракционном составе гумуса подзолов обычно преобладают фульватные формы. Гуминовые кислоты преобладают в верхней, оторфованной части профиля, в ряде почвенных разрезов подзолов характеризуясь сравнимыми концентрациями в иллювиально-гумусовых горизонтах. В профиле торфяно-болотных почв, в частности эвтрофных, а также в оторфованных горизонтах торфяно-подзолов преобладают гуминовые фракции, в нижней части профиля часто превышающие фульвокислоты в 2-4 раза. Заметную роль в формировании органической части почв играют почвенные липиды, широко представленные в горизонте Ао торфяно-подзолов и иллювиально-гумусовых подзолов (до 25 % от массы органического вещества).

Почвы ландшафтных обстановок, расположенных в пределах зоны влияния выбросов предприятия, отличаются более высоким показателем рН, что в первую очередь характерно для горизонтов Ao и Ат (5,0-6,5), пониженными показателями гидролитической кислотности (60-120 мг-экв/100 г), более высокой долей поглощенных оснований и увеличенной насыщенностью ППК (20-60 %). Для горизонтов Ао и Ат почв, подверженных загрязнению, определено более низкое содержание органического вещества (20-30 %).

Определение кислоторастворимых форм рассеянных элементов в почвах и почвообразующих породах рассматриваемой территории выявило следующие особенности: 1) распределение кислоторастворимых форм металлов весьма схоже с таковыми для валовых концентраций этих рассеянных элементов; 2) постлитогенные почвы суммарно характеризуются более высокими показателями содержания подвижных форм металлов, нежели болотные почвы; 3) для Al-Fe-гумусовых почв характерно сочетание поверхностной аккумуляции и элювиально-иллювиального перераспределения металлов по профилю; 4) максимальные значения определены для Mn и Zn.

На рисунке 2 представлена схема профиля, исследованного в центральной части фоновой территории, отдаленной от пос. Никель на 50 км. Концентрация кислоторастворимых форм Cu и Ni не превышает 15-20 мг/кг в верхних горизонтах почв и обычно постепенно уменьшается при продвижении вглубь профиля.

В почвах профиля №3 Кирпичный завод, расположенной на севере фоновой территории, в 15 км от источника атмосферного загрязнения, обнаружены повышенные концентрации геохимически активных форм рассеянных элементов. Так, концентрация Cu в верхних горизонтах возрастает до 100-350 мг/кг, Ni - до 50-100 мг/кг. Одновременно с этим сокращается количество Mn (200-500 мг/кг) и Zn (10-20 мг/кг).

Наиболее высокое содержание рассеянных элементов определено для почвенных разрезов,  заложенных в пределах 1-5 км зоне от комбината. Несмотря на принимаемые меры по утилизации пылегазовых смесей в пределах комбината в атмосферу ежегодно попадает значительный объем никеля, меди и других рассеянных элементов. По данным ОАО Кольской ГМК в период с 1977 по 1990 г в атмосферу попадало до 500 т Ni и 230 т Cu в год. В период с 2004 по 2007 г в атмосферу ежегодно выбрасывалось 235-240 т Ni и 160-170 т Cu. Максимальные концентрации металлов в воздухе распространяется до 2 км от комбината, превышая показатели местного фонового значения в 100-1000 раз (Горно-металлургическая компанияЕ, 2010).

В ходе исследования талой снеговой воды установлены концентрации Cu и Ni в 1,5-3,3 мг/л, что значительно превышает местный геохимический фон для атмосферных осадков (Болтенко и др., 1991).

Таким образом, в ландшафты, расположенные в 7-10 км зоне от комбината, поступают значительные объемы тяжелых металлов, концентрации которых в почве превышают фоновые показатели в 10-100 раз. Содержание Cu и Ni в верхних горизонтах во всех исследованных почвенных разрезах достигает 1500-2500 мг/кг. Многократное превышение фоновых значений отмечено для Pb и Co - 100-300 мг/кг и 30-60 мг/кг соответственно.

Рис. 2. Схема профиля №1 л53-ий пограничный столб и содержание кислоторастворимых форм

тяжелых металлов в генетических горизонтах почв (мг/кг).

Для оценки степени загрязнения почвенного покрова тяжелыми металлами был рассчитан коэффициент суммарного загрязнения (Zc) (Сает и др., 1990). Максимальное значение Zc определено для почв, расположенных в непосредственной близости от комбината и отвалов шлака (рис. 3).

Рис. 3. Картосхема распространения ландшафтов в районе пгт. Никель с различной степенью изменения почвенно-растительного покрова; коэффициент суммарного загрязнения (Zc) и коэффициент концентрации тяжелых металлов (Кк) в точках детальных исследований (на диаграммах показано логарифмическое распределение показателя Кк).

В четвертой главе диссертации рассматриваются вопросы, связанные с эколого-геохимическими особенностями растительного покрова северо-запада Кольского полуострова. Приводится детальное геоботаническое описание широко распространенных ландшафтных обстановок, расположенных в пределах фоновой территории и на участках, подверженных атмосферным выбросам промышленных предприятий.

Для лабораторно-аналитических исследований были отобраны наземные вегетативные органы видов растений, широко распространенных в пределах исследованной территории и играющих покровообразующую роль. Немаловажное значение при выборе видов растений для дальнейших лабораторно-аналитических исследований имела степень освещенности их биогеохимических особенностей в научной литературе.

Среди исследованных видов растений максимальным содержанием зольного вещества отличаются осина (листья - 7-8%, ветви - 4-6 %) и морошка (7-8 %). Минимальная зольность характерна для всех видов лишайников (около 1 %) (рис. 4).

Рис. 4. Среднее модальное значение зольности растений фоновой территории (в %). В скобках указано число исследованных образцов.

Содержание основных биофильных элементов в растительных организмах фоновой территории находится в пределах, характерных для растительности данных местообитаний. Среди рассеянных элементов наибольшее значение в хвое сосны, листьях березы и осины играет Mn (кислоторастворимые формы - 150-575 мг/кг сухого вещества; валовое содержание - 800-2400 мг/кг). Содержание Zn, Cu и Ni варьирует в пределах 10-40 мг/кг (валовое содержание - 40-350 мг/кг). Для осины определено сравнительно высокое содержание Sr (20 мг/кг), который в других видах растений обычно не превышает 0,5-1 мг/кг. Для кустарничков только Mn определен в значительных количествах (300-500 мг/кг, валовое содержание - до 6000 мг/кг). Наиболее интенсивное поглощение растениями фоновой территории характерно для Ni Pb и Mn (рис. 5).

Рис. 5. Кб рассеянных элементов для растений, произрастающих в пределах фоновых ландшафтов (логарифмическое распределение).

Растения, произрастающие в зоне влияния атмосферных выбросов комбината, активно накапливают Ni, Cu и Pb. В листьях березы и осины количество кислоторастворимых форм Cu достигает 250 мг/кг, Ni - 385 мг/кг. В листьях осины обнаружен Co (3-5 мг/кг), тогда как для растений фоновой территории характерно содержание Co ниже предела чувствительности методики определения. Установлено, что растения техногенного участка содержат Mn и Zn в 10-30 раз меньше, что вероятно связано, как со снижением концентрации данных металлов в почве, так и особенностями биологического поглощения данных элементов в присутствии в почве высоких концентраций Cu и Pb.

Рис. 6. Кб рассеянных элементов для растений ландшафтов, подверженных интенсивному техногенному воздействию (логарифмическое распределение).

В заключении изложены основные выводы диссертационного исследования, отражающие следующее:

1. В пределах рассматриваемой территории распространены останцовые холмисто-увалистые равнины со сложным рельефным рисунком, осложненным разветвленной озерно-речной системой. Литогенной основой ландшафтов выступают серия вулканогенно-осадочных и метаморфических пород архея и протерозоя, местами перекрытые рыхлыми отложениями четвертичного периода, мощность которых сильно варьирует в зависимости от местоположения и отсутствует на вершинах возвышенностей. Они представлены в основном гляциальными и флювиогляциальными отложениями последнего оледенения, переслаивающиеся местами с ледниково-морскими слоями позднеплейстоценовых трансгрессий. В целом, для литогенной основы характерен легкий гранулометрический и пестрый минералогический состав.

Климат северо-запада Кольского полуострова формируются при взаимодействии арктических и умеренных воздушных масс в условиях высоких широт, определяющих низкое солнцестояние и малый радиационный баланс.

2. Валовый химический состав почвообразующих пород и минеральных горизонтов почв имеет общие черты. Количество SiO2 варьирует в пределах 65-75 %, заметную роль играют Al, Fe, Ca и Na. Среди рассеянных элементов, независимо от типа почвообразования, заметную роль играют Ba, Sr и Ni, перераспределение которых по почвенным горизонтам в основном отвечает двум схемам - поверхностно-аккумулятивной для органогенных почв и элювиально-иллювиальной для альфегумусовых почв. Максимальные значения коэффициента почвенной дифференциации характерны для Cu, Ni, Pb и As, содержание которых в верхнем органогенном горизонте в 10-50 раз превышают концентрации данных элементов в горизонте С.

3. Почвенный покров имеет сложную пространственную структуру и включает группу органогенных почв, представленных болотными почвами, и почвы альфегумусового ряда, представленные несколькими типами подзолов и подбуров. Почвы имеют незначительную мощностью (30-50 см - постлитогенные, 40-70 см - органогенные), зачастую представлены карликовыми формами. Подзолы, формирующиеся по пологим склонам возвышенностей на породах легкого механического состава, в условиях хорошей аэрации в так называемый засушливый весенне-летний период, не несут следов оглеения.

4. Всю рассматриваемую территорию можно разделить на фоновую, расположенную в 20 км от пос. Никель, подверженную умеренному влиянию промышленного предприятия (10-20 км) и подверженную интенсивному техногенному воздействию (0-10 км).

5. Почвы фонового участка характеризуются сильнокислой и кислой реакцией (3,5-4,5), малым количеством поглощенных оснований, низкой насыщенностью почвенного поглощающего комплекса (5-40 %) и высоким содержанием органического вещества, представленного в основном грубым гумусом с заметной ролью почвенных липидов (5-20 %) и фракциями гуминовых кислот (30-40 %). Почвы, формирующиеся в условиях интенсивного техногенного воздействия отличаются менее кислой реакцией, показатели которой приближаются к 5,0-6,0, пониженными показателями гидролитической кислотности, более высокими показателями насыщенности ППК (20-60 %) и значительным содержанием органического вещества, представленного в основном слаборазложившимся материалом.

6. Содержание кислоторастворимых форм тяжелых металлов в почвах фоновой территории зависит от типа почвообразования, состава почвообразующих пород и ландшафтной обстановки. Наибольшие концентрации металлов характерны для верхних органогенных горизонтов: Mn - 300-1000 мг/кг, Cu - 20-200 мг/кг, Ni и Zn - 10-100 мг/кг, Pb - 10-30 мг/кг, Co - 1-10 мг/кг, Cd - 0,5-1 мг/кг.

Почвенный покров территории, подверженной выбросам комбината Печенганикель, содержит в верхних горизонтах почв значительный объем подвижных форм тяжелых металлов: Mn - 100-500 мг/кг, Cu - 1500-2600 мг/кг, Ni - 800-2000 мг/кг, Zn - 20-80 мг/кг, Pb - 50-350 мг/кг, Co - 20-60 мг/кг.

Коэффициент суммарного загрязнения, рассчитанный для верхних горизонтов почв (Zc), расположенных в пределах зоны интенсивного влияния выбросов комбината, имеет высокие показатели (100-175). Наибольшие значения достигают 300, что характеризует чрезвычайно опасный уровень загрязнения почв.

7. Растительный покров фоновой территории представлен сосновыми северотаежными лесами с различным участием березы и осины. Отмечается большое видовое разнообразие кустарничковой и травянистой растительности, многочисленные виды мхов и лишайников. Территория, подверженная сильному техногенному воздействию, характеризуется значительным сокращением видового разнообразия, исчезновением лишайников, наиболее чувствительных к атмосферному загрязнению, понижением бонитета древесных растений и отмиранием хвойных пород. Территория, расположенная в 2-5 км зоне от поселка представляет собой типичную техногенную пустошь, практически лишенную растительного покрова.

8. Количество и вещественный состав зольного материала растений зависит от ландшафтных позиций, занимаемых видом, особенностей почвенного покрова и удаленности от источника атмосферных выбросов. Максимальные показатели зольности характерны для листьев осины и морошки (6-8 %), минимальные для лишайников (0,2-1,0 %). Наибольшее количество элемент-определений проведено для листьев березы и хвои сосны. Установлено, что данные растения, собранные в пределах фоновой территории содержат значительное количество Ca, K, Mg, P, а среди рассеянных элементов лидирует Mn (500-2300 мг/кг), Zn (50-300 мг/кг) и Ni (10-65 мг/кг). Для сосны и березы характерны высокие показатели Кб для Ni (1000), Pb (80-100), Mn (10-20) и Zn (5-10).

Содержание основных биофильных элементов в наземных органах растений сравнимо с фоновыми показателями. Отмечено более высокое содержание Fe, S и Cl, и значительное уменьшение содержания Mn (200-400 мг/кг) и Zn (10-150 мг/кг). Среди рассеянных элементов в золе растений преобладают Ni и Cu, концентрации которых возрастают до 300-500 мг/кг. Значительные концентрации металлов в почве способствуют относительному снижению величины показателя биологического поглощения этих элементов.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА, ОТРАЖАЮЩИХ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Ежов А.Ю. Тяжелые металлы в растительном покрове северо-запада Кольского полуострова. // Преподаватель XXI век. М.: Изд-во Прометей. Ц 2011. № 1. Часть 2. Ц С. 221-226. (0,35 п.л.).

2. Ежов А.Ю. Медь и никель в ландшафтах северо-запада Кольского полуострова. // Вестник Московского государственного областного университета. Серия Естественные науки. Ц 2011. № 1. М.: Изд-во МГОУ. Ц С. 89-94. (0,38 п.л.).

3. Ежов А.Ю. Техногенное загрязнение тяжелыми металлами ландшафтов северо-запада Кольского полуострова. // Вестник Московского государственного областного университета. Серия Естественные науки. Ц 2010. № 1. М.: Изд-во МГОУ. Ц С. 98-103. (0,38 п.л.).

4. Ежов А.Ю. Кольский Север - арена боевых действий с Природой. // Экология и жизнь. М.: Изд-во Финтрекс. 2011. № 8. - С. 74-77. (0,19 п.л.).

5. Ежов А.Ю. Экологические функции северо-таежных почв при промышленном загрязнении. // Материалы Международной научной конференции Ресурсный потенциал почв - основа продовольственной и экологической безопасности России. - СПб.: Издательский дом СПбГУ, 2011. - С. 387-388. (0,13 п.л.).

6. Ежов А.Ю. Эколого-геохимические особенности подзолов северо-запада Кольского полуострова. // Материалы Всероссийской научной конференции ХIII Докучаевские молодежные чтения Органо-минеральная матрица почв. Под ред. Б.Ф. Апарина. - СПб.: Издательский дом СПбГУ, 2010. - С. 138-140. (0,13 п.л.).

7. Ежов А.Ю. Коэффициент биологического поглощения как индикационный показатель геохимических особенностей ландшафтов. // Материалы Первой Всероссийской научно-практической конференции Индикация состояния окружающей среды: теория, практика, образование. - М.: МПГУ, 2010. - С. 21-25. (0,31 п.л.).

8. Ежов А.Ю. Зольность покровообразующих растений на северо-западе Кольского полуострова. // Биологическое разнообразие - определяющие факторы, мониторинг. Материалы региональной научной конференции, посвященной 20-летию заповедника Кузнецкий Алатау. Отв. ред. С.Г. Бабина; Гос. природн. Заповедник Кузнецкий Алатау - Кемерово: Издательский дом Азия, 2009. - С. 130-131. (0,13 п.л.).

9. Ежов А.Ю. Содержание подвижных форм тяжелых металлов в генетических горизонтах почв ГПЗ Пасвик, Мурманская область. // Материалы Всероссийской научной конференции ХII Докучаевские молодежные чтения Почвы и продовольственная безопасность России. Под ред. Б.Ф. Апарина. - СПб.: Издательский дом СПбГУ, 2009. - С. 144-145. (0,13 п.л.).

10. Ежов А.Ю., Алещукин Л.В. Тяжелые металлы в почвах северо-запада Кольского полуострова на примере государственного природного заповедника Пасвик. // Сборник научных тезисов V Международного совещания Геохимия биосферы. Новороссийск: НИИ геохимии биосферы ЮФУ, 2008. - С. 113-115. (0,19 п.л., авторский вклад 50 %).

11. Ежов А.Ю., Куликова Е.Е. Критерии отбора образцов и зольность покровообразующих видов растений заповедника Пасвик. // Сборник научных тезисов V Международного совещания Геохимия биосферы. Новороссийск: НИИ геохимии биосферы ЮФУ, 2008. - С. 71-72. (0,13 п.л., авторский вклад 50 %).

12. Ежов А.Ю. Геохимические аспекты экологического состояния природных ландшафтов северо-запада Кольского полуострова на примере территории заповедника Пасвик. // Сборник научных трудов географического факультета. М.: МПГУ, 2007. - С. 23-25. (0,19 п.л.).

     Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по земле