Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Филаретова А.Н. 1 Кречетов П.П. 1 Королева Т.В. 1 Дианова Т.М. 1

---

1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

В работе представлена оценка устойчивости экосистем северо-восточной части Московской области к воздействию кислотных осадков, проведенная на основе концепции критических нагрузок, показывающая существенное различие уровней устойчивости экосистем изучаемой территории. С целью верификации расчетных данных проведено лабораторное моделирование воздействия кислотных выпадений на химические свойства почв. Концентрации подаваемых растворов были рассчитаны исходя из количества кислоты, которое может разово выпасть на поверхность земли при утилизации твердотопливных ракет – основного потенциального источника кислотных выпадений на исследуемой территории. Полученные результаты подтверждают достоверность изменений химических свойств почв в результате превышения критических нагрузок. При этом наблюдаются зависимость интенсивности этих изменений от величины критической нагрузки экосистем и тенденции, свидетельствующие об обратимости негативных последствий.

Статья в формате PDF

636 KB

кислотные выпадения

критические нагрузки

устойчивость экосистем

буферные зоны почв

экспериментальное моделирование

показатели почвенной кислотности

1. Биогеохимия / В. Н. Башкин, Н. С. Касимов – М.: Научный мир, 2004. – 648 с.

2. Кислотные осадки и лесные почвы / В.В. Никонова, Г.Н. Копцик – Апатиты: Кол. науч. центр РАН, 1999. – 320 с.

3. Копцик Г.Н., Макаров М.И., Киселева В.В. Принципы и методы оценки устойчивости почв к кислотным выпадениям. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998. – 95 с.

4. Почвенно-экологический мониторинг и охрана почв / Д.С. Орлов, В.Д. Василевская – М.: Изд-во МГУ, 1994. – 272 с.

5. Соколова Т.А., Дронова Т.Я. Изменение свойств почв под влиянием кислотных выпадений. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1993. – 64 с.

6. Взаимодействие лесных суглинистых подзолистых почв с модельными кислыми осадками и кислотно-основная буферность подзолистых почв / Т.А. Соколова, Т.Я. Дронова, И.И. Толпешта, С.Е. Иванова. – М.: Изд-во МГУ, 2001. – 208 с.

7. Филаретова А.Н. Анализ потенциального экологического риска при прожиге РДТТ в южно-таежной зоне // Обеспечение экологической безопасности ракетно-космической деятельности: материалы Международной научно-практической конференции, 18 мая 2011 г. – М.: Географический ф-т МГУ, 2011. – С. 131–136.

8. Шамрикова Е.В., Соколова Т.А., Забоева И.В. Кислотно-основная буферность подзолистых и болотно-подзолистых почв Северо-востока европейской части России. – Екатеринбург, УрО РАН, 2005 – 136 с.

Кислотные осадки являются одним из основных источников нарушения функционирования наземных экосистем в районах с интенсивной техногенной нагрузкой. Источником подкисления атмосферных осадков являются присутствующие в выбросах продукты сгорания промышленных предприятий оксиды азота и серы. При истечении срока годности или вследствие сокращения вооружений проводится уничтожение твердотопливных ракет методом сжигания. При этом образуется облако продуктов сгорания, в составе которого в большом количестве присутствует хлористый водород, также приводящий к подкислению осадков [7]. Одно из таких предприятий, на котором проводится утилизация твердотопливных ракет, располагается в северо-восточной части Московской области.

Устойчивость экосистем к воздействию кислых осадков можно оценить с помощью концепции критических нагрузок, под которыми понимают максимальное количество осаждающихся из атмосферы кислотных компонентов, не вызывающее химических изменений, приводящих к долговременным негативным воздействиям на структуру и функционирование экосистемы [3]. Ниже этого порога существенного вредного воздействия не происходит. Почва представляет собой важнейший геохимический барьер на пути миграции загрязняющих веществ и, как компонент биогеоценоза, во многом определяет устойчивость экосистем к подкислению. Характер и степень проявления негативных последствий воздействия кислотных выпадений определяются, прежде всего, особенностями функционирования и емкостью буферных систем в разных почвах. Самой крупной буферной кислотно-основной системой в почвах является почвенно-поглощающий комплекс, свойства которого определяются содержанием органического вещества и составом глинистых минералов [2]. Интегральным показателем изменения физико-химических свойств почвы под влиянием кислотных осадков может считаться снижение значений рН почв. Кроме того, кислотные осадки вызывают увеличение обменной и гидролитической форм кислотности.

Материалы и методы исследования

Исследуемая территория располагается на границе Пушкинского, Сергиево-Посадского и Щелковского районов Московской области и представляет собой полого-холмистую моренную равнину в комплексе с водно-ледниковыми и зандровыми равнинами. Почвообразующими породами являются днепровская и московская морена, а также водно-ледниковые отложения разного возраста, покровные и аллювиальные суглинки. Климат умеренно-континентальный, характеризуется теплым летом, умеренно-холодной зимой с устойчивым снежным покровом, большой изменчивостью погодных условий от года к году. Значительная часть территории занята сельскохозяйственными угодьями. Естественная растительность представлена в основном мелколиственно-еловыми и мелколиственно-сосновыми лесами, образовавшимися на месте коренных широколиственно-еловых лесов. Основными почвами исследуемой территории являются дерново-подзолистые почвы разной степени оглеенности и эродированности. Широко распространены дерново-подзолистые окультуренные почвы, испытавшие длительное хозяйственное воздействие. Кроме того, в зависимости от характера рельефа, условий увлажнения и растительного покрова развиваются дерново-глеевые, дерновые, болотно-подзолистые, торфяные, торфянистые и аллювиальные почвы.

Наиболее распространенным методом определения величин критических нагрузок кислотных выпадений является балансовый, в основе которого лежит оценка возможного изменения баланса элементов под воздействием кислотного прессинга [3]. При этом подходе скорости выветривания почвенных минералов, выноса продуктов выветривания за пределы почвенного профиля и поглощения элементов растениями принимаются постоянными в пределах верхней (0,5 м) части почвенного профиля и характеризуются среднегодовыми величинами [3]. Ключевым параметром при расчете критических нагрузок на экосистемы является скорость выветривания почвенных минералов, поэтому чем более устойчивы слагающие почву минералы, тем меньше способность почвы пополнять запас обменных оснований в ППК и ниже критические кислотные нагрузки на экосистемы. По литературным данным [4] скорость выветривания в почвах таежной зоны составляет
0,15–0,80 кмольН+/га в год.

Расчет критических нагрузок экосистем исследуемой территории был проведен по значениям скорости выветривания минералов, величины поглощения оснований растениями и потери кислотонейтрализующей способности, содержащимся
в [1, 2]. Поглощение катионов травянистой растительностью принято равным нулю вследствие ежегодного отмирания практически всей биомассы и, как следствие, восполнения потери катионов. Для пахотных почв вследствие внесения извести характерна более высокая кислотонейтрализующая способность, чем для их естественных аналогов, поэтому скорость выветривания минералов была приравнена к скорости выветривания в дерново-карбонатных выщелоченных почвах.

Для построения карты критических кислотных нагрузок на экосистемы исследуемой территории были использованы топографическая карта масштаба 1:100 000, карты четвертичных отложений (масштаб 1:50 000), карта растительности Московской области (масштаб 1:200 000), почвенная карта Московской области (масштаб 1:300 000) и ландшафтная карта Подмосковья (масштаб 1:100 000). После их оцифровки в программе ArcGIS 9.3 были выделены контуры экосистем с разными критическими нагрузками.

С целью верификации данных, полученных по балансовой модели, был проведен модельный лабораторный эксперимент, для которого выбраны гумусовые горизонты основных типов почв исследуемой территории. Природные дерново-подзолистые почвы, использованные для эксперимента, характеризуются кислой реакцией среды (рН = 3,5–4,5),
значением обменной кислотности в пределах 3–5 ммоль(+)/100 г и гидролитической кислотностью от 13 до 22 ммоль(+)/100 г. Пахотные почвы отличаются более высокими значениями рН (около 6), низким содержанием обменных водорода и алюминия и малой гидролитической кислотностью (в 3–4 раза ниже природных). Образцы почвы были высушены до воздушно-сухого состояния, просеяны через сито 3 мм, после чего были набиты в колонки из инертного материала до плотности 1 г/см3. Мощность почвы в колонке составляла 10 см.

Концентрации растворов, подаваемых на колонки при экспериментальном моделировании влияния кислотных выпадений на почвы, были рассчитаны, исходя из количества кислоты, разово выпадающего на поверхность при утилизации твердотопливных ракет [7] и максимально возможного на изучаемой территории суточного количества осадков – 27,2 мм. Для эксперимента выбраны концентрации, соответствующие выпадениям 7,5, 3 и 0,5 г HCl/ м2 – максимальному на границе СЗЗ предприятия, критической нагрузке наиболее распространенных экосистем и минимальной критической нагрузке экосистем на изучаемой территории. Таким образом, концентрации подаваемых растворов составили 0,0005 М, 0,003 М и 0,008 М. Контроль изменений производился по колонкам, через которые был пропущен такой же объем дистиллированной воды.

Изменения химических свойств почв оценивались по истечении трехдневного и трехнедельного периода. Эксперимент ставился в двукратной повторности. По окончании эксперимента почвенная колонка делилась на две части по глубине: 0–5 и 5–10 см; после чего в образцах почв определялись показатели почвенной кислотности (рН, обменная кислотность, гидролитическая кислотность), содержание ионов хлора и обменных кальция и магния.

Результаты исследования
и их обсуждения

Расчеты, проведенные по балансовой модели показывают, что минимальные критические нагрузки на экосистемы в районе предприятия по утилизации твердотопливных ракет составляют 11 ммоль Н+/м2/год
и характерны для сосняков на подзолах, а максимальные – для пахотных почв (145 ммоль Н+/м2/год) (табл. 1). Поскольку основным кислотным поллютантом на исследованной территории является соляная кислота, критические нагрузки на экосистемы были пересчитаны на хлористый водород. По величине критической нагрузки соляной кислоты все экосистемы зоны влияния предприятия по утилизации твердотопливных ракет можно объединить в 8 групп (рисунок).

Таблица 1

Критические нагрузки кислотности на экосистемы исследуемой территории

Вследствие широкого распространения на исследуемой территории дерново-подзолистых оглеенных почв, наибольшую площадь (около 345 км2) занимают экосистемы с критическими нагрузками 2,5–3 г HCl/ м2/ год. Зональные лесные экосистемы на дерново-подзолистых почвах менее распространены (занимают около 270 км2) из-за высокой эродированности территории. Наибольшему экологическому риску подвержены экосистемы с минимальными критическими нагрузками ( < 0,5 г HCl/м2/год), представляющие собой подзолы под сосновыми и сосново-еловыми лесами и распространенные примерно на 3,5 % исследуемой территории.

Проведенная верификация результатов расчета критических нагрузок в условиях лабораторного моделирования выявила различия в устойчивости почв ландшафтов исследуемой территории к воздействию кислых растворов.

Наблюдается тенденция к усилению кислотных свойств почв под влиянием модельных кислотных осадков, что соответствует литературным данным [4, 5, 6, 8]. Значения рН всех исследованных почв снижаются при воздействии кислых растворов, степень уменьшения рН возрастает при повышении кислотности воздействующих растворов.

Следует отметить, что эти изменения касаются в основном верхней части почвенной колонки, в нижней части подкисление носит незначительный характер. Кроме того, в верхней части почвенной колонки при максимальной нагрузке (7,5 г HCl/м2) происходит смена буферных кислотно-основных зон, что свидетельствует о смене источника катионов на менее доступный и, тем самым, о замедлении скорости нейтрализации (табл. 2) [6]. Подзолы, обладающие наименьшей критической кислотной нагрузкой, характеризуются сменой буферной кислотно-основной зоны даже под влиянием более низкой нагрузки – 3 г HCl/м2.
В целом снижение рН под воздействием кислых растворов в гумусовых горизонтах пахотных почв происходит сильнее, чем в естественных почвах, и составляет в верхней части при максимальной нагрузке 1–1,5 и 0,5–1 единиц рН соответственно.

Критические нагрузки соляной кислоты на экосистемы исследуемой территории

Подкисление почв проявляется как в снижении рН, так и в росте обменной и гидролитической кислотности. В динамике обменного алюминия, обеспечивающего большую часть обменной кислотности, прослеживается увеличение содержания при повышении нагрузки в естественных почвах и снижение в пахотных почвах. Это, вероятно, связано с высокими значениями рН в освоенных почвах, обусловливающими выпадение вытесненного с обменных позиций алюминия в осадок в виде гидроксидов. Изменения обменной кислотности в пахотных почвах слабее выражены, чем в естественных, и не превышают 0,5 ммоль Н+/ 100 г, в то время как в природных почвах при максимальных нагрузках они могут достигать по алюминию 3 и более ммоль Н+/ 100 г. В динамике обменного водорода в целом отсутствуют существенные изменения.

Таблица 2

Изменение буферных кислотно-основных зон почв при разной кислотной нагрузке *

Примечание. * В числителе указана буферная кислотно-основная зона для верхней части почвенной колонки, в знаменателе – для нижней. Буферные зоны: Ж – железистая, А – алюминиевая, КО – катионно-обменная, С – силикатная, К – карбонатная.

Анализ полученных данных показывает, что основные изменения химических свойств почв происходят в верхних 5 см, в нижней части колонки изменения часто не так сильны. Это может объясняться тем, что большая часть подаваемых растворов задерживается в верхней части почвенной колонки, что подтверждается сравнением данных по содержанию ионов хлора (маркера передвижения почвенных растворов) в верхней и нижней частях колонок. Увеличение их содержания при повышении нагрузки проявляется в верхней части почвенной колонки намного интенсивнее, чем в нижней.

Кроме того, следует отметить, что во всех проанализированных образцах в трехдневный срок почвы по всем показателям являются более кислыми, чем в трехнедельном варианте эксперимента, и одновременно содержат больше обменных кальция и магния. Этот факт может свидетельствовать о способности почв к самовосстановлению после воздействия кислотных осадков.

Выводы

Критические нагрузки хлористого водорода на экосистемы исследуемой территории варьируют от 11 до 145 ммоль Н+/ м2/год. Минимальные критические нагрузки характерны для сосняков на подзолах (занимают около 3,5 % территории), а максимальные – для пахотных почв (до 25 % площади). Вследствие широкого распространения на исследуемой территории дерново-подзолистых оглеенных почв, наибольшую площадь занимают экосистемы с относительно высокими критическими нагрузками –
69–77 ммоль Н+/ м2/год (2,5–3 г HCl/м2/год).

Полученные в результате модельного лабораторного эксперимента данные подтвердили достоверные изменения показателей почвенной кислотности при превышении критических нагрузок загрязняющего вещества. При этом для освоенных почв характерно менее интенсивное подкисление, чем для природных аналогов. Изменения свойств почв наблюдаются преимущественно в верхних 5 см почв.

После прекращения кислотной нагрузки происходит постепенное снижение кислотности почв и повышение содержания обменных кальция и магния, что свидетельствует об обратимости выявленных негативных последствий за счет разрушения минеральных компонентов почв в результате протонирования ППК.

Научные исследования проведены при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России (соглашение № 8673).

Рецензенты:

Новаковский Б.А., д.г.н., профессор кафедры картографии и геоинформатики географического факультета МГУ имени
М.В. Ломоносова, г. Москва;

Снакин В.В., д.б.н., профессор, заведующий сектором музейно-методической работы Музея землеведения МГУ, г. Москва.

Работа поступила в редакцию 26.10.2012.

Библиографическая ссылка