Тяжелые металлы как показатели динамики круговорота веществ на рекультивируемых землях Западного Донбасса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Днепровский национальный университет имени Олеся Гончара

Тяжелые металлы как показатели динамики круговорота веществ на рекультивируемых землях Западного Донбасса

В.Н. Зверковский, М.В. Шамрай

Исследован биологический круговорот веществ в искусственных насаждениях участков лесной рекультивации Западного Донбасса. Определено содержание и закономерности миграции микроэлементов: марганца, меди, свинца, хрома, никеля, титана в растениях, опаде, подстилке и искусственных почвах. Установлена зависимость между содержанием микроэлементов в опаде, подстилке, почве и основными их физико- химическими характеристиками, что позволяет оценить значение различных вариантов рекультивации в предотвращении техногенного влияния на окружающую среду.

Ключевые слова: тяжелые металлы, биологический круговорот, лесная рекультивация, искусственные лесные насаждения.

ВАЖКІ МЕТАЛИ ЯК ПОКАЗНИКИ ДИНАМІКИ КРУГООБІГУ РЕЧОВИН НА РЕКУЛЬТИВАЦІЙНИХ ЗЕМЛЯХ ЗАХІДНОГО ДОНБАСУ

Досліджено біологічний колообіг речовин в штучних насадженнях ділянок лісової рекультивації Західного Донбасу. Визначено зміст і закономірності міграції мікроелементів: марганцю, міді, свинцю, хрому, нікелю, титану в рослинах, опаді, підстилці і штучних грунтах. Встановлено залежність між вмістом мікроелементів в опаде, підстилці, грунті і основними їх фізико хімічними характеристиками, що дозволяє оцінити значення різних варіантів рекультивації в запобіганні техногенного впливу на навколишнє середовище.

Ключові слова: важкі метали, біологічний кругообіг, лісова рекультивація, штучні лісові насадження.

The content and patterns of microelements' migration in plants, tree waste, litter and soils are determined. Manganese, copper, lead, chromium, nickel and titanium were under investigation.

The dependence between the microelements content in tree waste, litter and soil and their main physicochemical characteristics as well as the correspondence of forest growing conditions to the optimal limits of the elements' content in soil for plants normal development are characterized.

The factors influencing the trace elements content in the fill-up reclaiming layer are analyzed.

The reasons for the wide variation range of the microelements content in the leaves of experimental trees, and the possibility of using different ground types and plantation patterns are explained. It makes possible to estimate the importance of the biological stage of rehabilitation for the preventing technogenic influence on the environment.

Keywords: heavy metals, biological cycle, forest rehabilitation, afforestation.

Биологический круговорот веществ является функцией живого вещества. Изменение массы живого вещества, его структуры, химизма определяют изменение характера биологического круговорота. В. И. Вернадский писал, что «...в сущности живое вещество определяет все химические закономерности в биосфере. Биологический круговорот - всюдный процесс на нашей планете. По существу живое вещество охватывает своим влиянием всю химию земной коры и направляет в ней, почти для всех элементов, их биохимическую историю» [2].

Теоретическим фундаментом работ по изучению биологического круговорота послужили учение В. И. Вернадского о биосфере, работы Б. Н. Полынова о геологической роли живого организма, учение В. Н. Сукачева о биогеоценозах. Многие вопросы биологического круговорота были разработаны в работах Н. И. Базилевич, С. В., Зонна, Л. Е. Родина, В. А. Ковды [1, 2, 6, 8, 9, 12, 13].

В связи с этим на участках лесной рекультивации Западного Донбасса решались следующие задачи:

- определение содержания и закономерностей миграции микроэлементов: в растениях, опаде, подстилке и почвах,

- установление зависимости между содержанием микроэлементов в опаде, подстилке, почве и основными их физико- химическими характеристиками.

В искусственных насаждениях участка лесной рекультивации N° 1, (рис.1) исследовались закономерности распространения микроэлементов в системе почва- растение, изучались интенсивность круговорота вещества в целом и конкретных микроэлементов: никеля, свинца, меди, хрома, марганца, титана. В каждом насаждении с помощью шаблона 25x25 см в июне месяце бралась подстилка в 10- кратной повторности и в течение сентября - ноября опад. Опад и подстилка озолялись и анализировались на содержание микроэлементов (валовых форм) спектральным методом, а подвижных форм атомно- абсорбционным (спектрофотометр AAS - 30).

В начальный период рекультивации содержание микроэлементов в насыпных грунтах участка рекультивации широко варьирует (табл. 1.). Шахтная порода (1-й вариант насыпного грунта) характеризуется минимальным количеством марганца (129 мг/кг) и максимальным количеством хрома (3.24 мг/кг). Грунты второго варианта (суглинок+песок+ порода) резко отличаются от грунтов первого варианта (чистая порода) по содержанию марганца, титана, хрома, меди. Добавка к породе лессовидного суглинка и песка снизила содержание титана, марганца, хрома, меди в почво - грунтах второго варианта.

Рис. 1. Схема многолетнего эксперимента на участке лесной рекультивации №1 Западного Донбасса

тяжелый металл рекультивируемый

Таблица 1

Среднестатистическое содержание микроэлементов (валовая форма) в насыпных грунтах участка лесной рекультивации Западного Донбасса

Внесение чернозема в насыпные грунты (варианты 3-5) значительно повысило среднестатистическое содержание марганца, титана, меди в эдафотопах. Если содержание марганца в грунтах первого и второго варианта составляет 129-189 мг/ кг, титана - 4950-6237 мг/кг, меди - 13-42, то в грунтах третьего-пятого участков содержится марганца 448-469 мг/кг, титана - 7175-7723 мг/кг, меди - 316-- 376 мг/кг. Исключение составляют хром и никель, максимальное количество которых остается в шахтной породе (никель - 89 мг/кг, хром 3.2 мг/кг).

Дальнейшие исследования использования искусственных грунтов для рекультивации земель позволили установить характер изменения их микроэлементного состава на различных стадиях за время существования искусственных лесных насаждений. В 20-летнем возрасте уменьшилось содержание подвижного железа, марганца, цинка, меди, свинца, никеля в 2-10 раз в породе, содержание железа, марганца, меди в 2-8 раз в лессовидном суглинке, марганца, никеля - в 0.5-7 раз в песке, свинца и марганца - в 0.7-7 раз в черноземе. Увеличилось содержание железа и меди в 2 раза в черноземе. Содержание железа, кобальта, цинка в песке, меди, кобальта, никеля в суглинке, никеля, кобальта в черноземе 1996 г. осталось на уровне исходного состояния 1976 года (табл. 2, 3). Резко изменилось содержание подвижной меди, марганца в породе за счет увеличения кислотности водной вытяжки породы. При кислой реакции почвенного раствора, малом количестве коллоидной фракции органических веществ медь, кобальт, марганец и другие элементы не фиксируются и легко выносятся из почвенного профиля.

По содержанию гумуса и общего углерода насыпные грунты располагаются в восходящий ряд: песок - лессовидный суглинок - чернозем - порода. [5]. Повышенное содержание углерода в шахтной породе объясняется большим содержанием денатурированных органических соединений, не вовлекаемых в биологический круговорот.

Сравнительное изучение аналитических данных по гумусу, содержанию подвижных форм микроэлементов в грунтах и кислотности водной вытяжки свидетельствует о корреляционной связи содержания гумуса с содержанием следующих микроэлементов; железа, марганца, кобальта, никеля, свинца и об обратно пропорциональной корреляции содержания элементов с кислотностью почвенного раствора.

Таблица 2

Среднестатистическое содержание микроэлементов (водорастворимые формы) в насыпных грунтах участка 1 (1976)

Таблица 3

Среднестатистическое содержание микроэлементов (подвижные формы) в насыпных грунтах участка 1 под искусственными насаждениями акации белой, лоха узколистного и можжевельника виргинского (возраст 20 лет)

В данном многолетнем эксперименте, по- видимому, на содержание микроэлементов, в том числе марганца в воднорастворимой форме в насыпных грунтах под искусственным насаждением оказывает влияние ряд факторов: механический состав пород, кислотность водной вытяжки, а также биогенные факторы. Определяющая роль принадлежит кислотности почвенного раствора.

В настоящее время установлены оптимальные границы содержания элементов в почве для нормального развития растений. Верхние и нижние критические концентрации микроэлементов во внешней среде по данным В. В. Ковальского и др. (1979) следующие: кобальт 0.0007 - 0.003%, медь - 0.0015-0.0060%, марганец - 0,04-0,3%, цинк - 0,03-0,07%. [8]

Количественнное содержание никеля, свинца, меди, хрома, марганца и титана в листьях растений варьирует в следующих пре--делах: никель - 0.7-3.6 мг/ кг воздушно сухих листьев, свинец - 4-19 мг/кг, медь - 0.6-74 мг/кг, хром - 0.1- 1.8 мг/кг, марганец - 26-212 мг/кг, титан - 4-58 мг/кг. Широкий интервал варьирования содержания микроэлементов в листьях объясняется индивидуальными особенностями растений и различным микроэлементным составом насыпных эдафотопов (табл. 4).

Таблица 4

Содержание микроэлементов в листьях древесных и кустарниковых растений участка лесной рекультивации Западного Донбасса

Полученные нами материалы свидетельствуют, что используемые для лесной рекультивации почвогрунты по среднестатистическим показателям обеспечены исследованными элементами в оптимальных количествах. Однако, среда неоднородна, и могут появиться локалитеты с недостаточным или избыточным содержанием микроэлементов, что окажет существенное влияние на развитие экспериментальных культур.

Исследованные микроэлементы по количественному содержанию в листьях растений участка лесной рекультивации располагаются в следующий восходящий ряд: хром, никель, медь, свинец, титан, марганец. Приведенный ряд отличается от ряда, характерного для искусственных насаждений плакора и эродированных склонов Присамарья, расположенных на расстоянии 80-100 км от шахтных полей. Вблизи шахт значительно увеличено содержание свинца в листьях древесных пород. При этом свинец переместился с последнего места в ряду аккумуляции (минимальное содержание) в число элементов, характеризующихся средним содержанием в почве.

Исследования процессов биологического круговорота веществ на участках рекультивации раскрывают перспективностть и возможность применения как различных вариантов искусственных почвогрунтов, так и конструкций лесных насаждений.

Нами планируется дальнейшее исследование миграции тяжелых металлов в процессах биологического круговорота веществ на участке лесной рекультивации № 1, где продолжается многолетний эксперимент, позволяющий оценить фактическую эффективность различных вариантов рекультивации.

Библиографические ссылки

1. Базилевич Н. И., Родин Л. Е. Типы биологического круговорота зольных элементов и азота в основных природных зонах Северного полушария: Генезис, классификация и картография почв СССР//Доклады к VIII Международному конгрессу почвоведов. - М., «Наука», 1964, С. 134-146.

2. Вернадский В.И. Очерки геохимии. М.: Наука, 1960.-436с.

3. Вильямс В. Р. Почвоведение. Земледелие с основами почвоведения. 1940, 446с.

4. Зверковський В. М. Фітомеліорація шахтних відвалів в Західному Донбасі //Український ботанічний журнал, Київ, 1997, №5, С. 474-481.

5. Зверковский В. Н. Биогеоценотическое обоснование лесной рекультивации земель, нарушенных угольной промышленностью в степной зоне Украины. Дисс. на соиск. степени докт. биол. Днепропетровск - 1999 -516с.

6. Зонн С. В. Изучение почвы как компонента биогеоценоза // Програма и методика биогеоценологических исследований- М., «Наука», 1974 - С.215-232

7. Карпачевский Л. О., Киселева В. К. О методике учета опада и подстилки в смешанных лесах. - Лесоведение, 1968, №3: С.73-79.

8. Методические указания по оценке степени онасости загрязнения почв химическими веществами. -М., 1987 - С.25

9. Ковда В. А. Основы учения о почвах. Книга вторая. - М., «Наука», 1973, 468с.

10. Носова Л. Н., Дылис Н. В. Опыт определения сравнительной скорости движения органических веществ в лесных биогеоценозах. Лесоведение, 1972, С.23-29.

11. Полынов Б. Б. Геохимические ландшафты: Вопросы минералогии, геохимии и петрографии. - М. - Л., Изд-во АН СССР, 1946, - С. 171 - 182.

12. Ремезов Н. Ц., Родин Л. Е., Базилевич В. И. Методические указания к изучению биологического круговорота зольных веществ и азота наземных растительных сообществ в основных природных зонах умеренного пояса // Ботан, журн., 1965., б 48, №6 - с.869 - 877.

13. Родин Л. Е., Базилевич Н. И. Биологическая продуктивность и круговорот химических элементов в растительных сообществах. - Л., 1971 - 114 с.

14. Сукачев В. Н. Основные понятия лесной биогеоценологии // Основы лесной био- геоценологии. М.: Наука, 1964, С. 15-49.

15. Цветкова Н. Н. Закономерности распространения тяжелых металлов в почвогрунтах настоящих степей // Екологія та ноосферологія, 1995. Т. 1. №1 - 2, С. 109 - 119

16. Цветкова Н. Н., Зверковский В. Н., Тупика Н. П. Динамика микроэлементного состава насыпных почвогрунтов Западного Донбасса // Антропогенные воздействия на лесные экосистемы степной зоны. Днепропетровск, ДГУ, С. 4 -10

17. Цветкова Н. Н. Особенности миграции органо-минеральных веществ и микроэлементов в лесных биогеоценозах степной Украины. - Днепропетровск: Изд-во ДГУ, 1992. - 238 с.

Размещено на Allbest.ru