CC BY
37
УДК 502.3:550.47
ТЕХНОФИЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ОСОБО ОХРАНЯЕМЫХ ЭКОСИСТЕМАХ ЗАПАДНОУРАЛЬСКОЙ ТАЙГИ
© 2012 П.Н. Бахарев1, Е.А. Ворончихина2, С.И.Ильиных1, Н.М. Лоскутова3
1 Государственный природный заповедник «Вишерский» 2 Естественнонаучный институт 3 Государственный природный заповедник «Басеги»
Поступила в редакцию 09.05.2012
Представлены результаты биогеохимического мониторинга за период 1994-2011 гг., выполняемого в рамках программы летописи природы на территории западноуральских горно-таежных заповедников «Басеги» и «Вишерский» (Пермский край). Основное внимание уделено накоплению технофильных химических элементов в компонентах экосистем. Установлена зависимость техногенного давления на особо охраняемые экосистемы от регионального уровня хозяйственной активности, свидетельствующая о ведущей роли в техногенной нагрузке местных источников загрязнения.
Ключевые слова: таежные экосистемы, природные компоненты, химический состав, технофиль-ные элементы, биогеохимические процессы
Развитие промышленного сектора экономики наряду с положительными результатами зачастую сопровождается негативными экологическими процессами, обусловленными ростом техногенного давления на природную среду. Техногенную нагрузку испытывают не только промышленные территории. Благодаря атмосферному рассеиванию продуктов техно-генеза данный процесс приобрел глобальный масштаб - результаты хозяйственной деятельности человека в той или иной степени обнаруживаются во всех планетарных экосистемах, включая особо охраняемые природные резерваты, выведенные из хозяйственного пользования для сохранения биологического потенциала регионов. Под влиянием техногенных процессов, изменяющих геохимические параметры природных компонентов, охраняемые экосистемы утрачивают естественную устойчивость. Это негативно отражается на уровне биоразнообразия и репродуктивном потенциале биома. В наибольшей степени подвержены техногенной нагрузке охраняемые территории, расположенные в старопромышленных регионах с длительной историей освоения, таких как
Бахарев Павел Николаевич, директор. E-mail: zapV@inbox.ru
Ворончихина Евгения Александровна, кандидат географических наук, доцент. E-mail: Voronchihina-ea@yandex.ru
Ильиных Сергей Иванович, научный сотрудник. Email: zapV@inbox.ru
Лоскутова Надежда Михайловна, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник. E-mail: zapbasegi@rumbler. ru
Западный Урал, в промышленной части которого созданы государственные природные заповедники (ГПЗ) «Басеги» и «Вишерский». Рассматриваемые природно-территориальные образования характеризуются сходством первичных природных условий - они охраняют горнотаежные экосистемы, однотипные по климатическому режиму, геологическим, биологическим характеристикам - но различаются удаленностью от источников техногенного атмохимиче-ского рассеивания и, как следствие, по уровню хозяйственного воздействия.
В научные программы заповедников включен раздел биогеохимического мониторинга, целью которого является контроль атмохи-мической нагрузки с оценкой ответных реакций биотических компонентов на техногенное давление, формирующееся вследствие выпадения технофильных элементов на охраняемую территорию. Наблюдения выполняются по стандартным методикам [1, 2], включающим отбор и химические анализы природных субстратов (снега, почв, фитомассы) на стационарных площадках. Аналитические дан-ные систематизируются по принципу «время-место-компонент» и позволяют оценивать техногенную нагрузку в разрезе годовых и многолетних интервалов времени с учетом ее экосистемной принадлежности. Оценка атмохимического воздействия сопровождается контролем состояний почвенного и растительного покрова. Банк данных, сформированный за период наблюдений, позволяет перейти к анализу накопленной информации. В обобщенном виде результаты оценки атмохимической нагрузки, выраженные суммарным объемом
2136
технофильных элементов, поступающих в охраняемые резерваты с воздушными потоками, представлены ниже на рис. 1 и в таблицах 1-3.
Количественные характеристики атмохи-мической нагрузки свидетельствуют о неоднородности техногенного влияния на рассматриваемые природные объекты в пространственном и временном аспектах. Это наглядно иллюстрирует приведенная ниже диаграмма средних годовых объемов атмосферного выпадения химических элементов на заповедные территории.
1994 1995 19Э6 1997 20С0 2001 2004 20СЙ 2006 2СЮ7 20С8 2009 2010 2011
Годы
г Расчетный объем выпадения п Фоновый уровень
О Объем выпадения в ГПЗ "Басеги" П Объем выпадения в ГПЗ "Вишерский'
Рис. 1. Расчетный, нормативный (фоновый) и фактический среднегодовые объемы выпадения технофильных элементов из атмосферы на особо охраняемые горно-таежные территории Западного Урала
В связи с отсутствием официальных количественных показателей для оценки суммарной атмохимической нагрузки при интерпретации результатов наблюдений использованы базовые показатели, полученные расчетным путем: ФУ - фоновый уровень атмохими-ческой нагрузки; РО - расчетный объем естественного атмосферного выпадения химических элементов. Первый показатель - ФУ -рассчитан по элементному составу атмосферной пыли в европейской России [3] с учетом среднего годового объема ее выпадения в границах заповедников. Значения второго показателя - РО - являются производными от объема минеральной пыли, поступающей в воздушную среду вследствие природного источника -дефляции почвенного субстрата. Оба показателя, полученные расчетным путем, для значительной части элементов в составе атмохими-ческой нагрузки имеют близкие количественные значения, что подтверждает их объективность (табл. 1).
Таблица 1. Состав элементов и их концентрация в атмохимических потоках, поступающих в охраняемые экосистемы
Элемент Расчетный объем есте- Фоновый уровень Средняя за пятилетия кратность превышения расчетных показателей РО/ФУ фактическим объемом технофиль-
ственного (ФУ) [3], ных элементов, поступающих в охраняемые экосистемы
рассеива- г/га в год ГПЗ «Басеги» ГПЗ «Вишерский»
ния (РО), 1995- 2000- 2005- 2010- 1995- 2010 -
г/га в год 1999 2004 2009 2011 1999 2011
АЭ 7,71 0,00 0/0 0,3/0 0,2/0 1,8/0 0/0 0/0
Ве 3,59 0,00 0,1/0 0,1/0 0,2/0 0/0 0,03/0 0/0
са 0,31 0,30 0,8/0,9 9,1/9,2 4,5/4,6 7,7/7,8 0/0 5,8/5,9
РЬ 23,92 53,82 2,7/1,2 9,1/4,1 6,0/2,7 1,2/0,5 0,9/0,4 0,3/0,2
гп 50,23 364,78 15,6/2,2 53,5/7,3 42,3/5,8 5,4/0,7 7,2/1,0 9,9/1,5
8Ь 2,99 0,00 0,3/0 0,8/0 1,1/0 1,1/0 0/0 1,2/0
N1 65,78 34,09 0,6/1,1 1,1/2,1 0,5/1,0 0,2/0,5 0,1/0,3 0,2/0,5
Си 17,94 59,80 3,1/0,9 17,5/5,3 5,6/1,7 4,5/1,4 0,7/0,5 4,3/1,4
Сг 56,21 31,10 2,1/3,7 8,1/14,7 3,2/5,8 0,1/0,5 0,5/0,9 0,1/0,2
8г 227,24 0,00 0,1/0 0,5/08 1,9/0 0,3/0 0,2/0 0,9/0
V 59,80 29,90 0,5/0,9 2,1/4,1 2,6/5,1 0,2/0,4 0,2/0,4 0,1/0,2
Мп 508,30 310,96 1,1/1,7 2,3/3,7 0,9/1,5 1,1/1,8 0,5/0,7 0,9/1,4
Сравнительный анализ расчетных и фактических данных свидетельствует, что в начальный период наблюдений (в 1995-1999 гг.) атмо-химические потоки, поступающие в ГПЗ «Басе-ги», имели более высокую элементную насыщенность по сравнению с теми, которые распространялись на ГПЗ «Вишерский». Их состав выражался геохимической ассоциацией с доминированием цинка, объем атмосферного поступления которого в экосистемы ГПЗ «Басеги» в
среднегодовом выражении в 16 раз превышал расчетный фоновый показатель РО: гп 16/2 > РЬ3/1 > Сг2/4 > Си3/1 > Мп, V, N1 .. .На протяжении того же пятилетия (1995-1999 гг.) объем выпадения технофильных элементов в ГПЗ «Вишерский» был на уровне или ниже расчетных фоновых показателей, свидетельствуя о естественном геохимическом режиме развития горно-таежных экосистем.
2137
В конце 90-х гг. ситуация начала меняться. Суммарный объем атмосферного поступления химических элементов на территорию ГПЗ «Ба-сеги» увеличился в разы и держался на высоком уровне до 2007 г. Наиболее напряженным был 2004 г., когда суммарный объем выпадения тех-нофильных элементов достиг 7528,7 г/га (при фоновой норме 1024,0 г/га). В последующие годы наметилась тенденция к снижению нагрузки, которая в ГПЗ «Басеги» продолжается до настоящего времени. В 2010-2011 гг. в противовес сокращению объема атмохимического рассеивания, характерного для ГПЗ «Басеги», зафиксировано нарастание техногенной нагрузки на экосистемы ГПЗ «Вишерский». Наиболее существенную роль в этом сыграло увеличение концентрации цинка в атмохимическом потоке (см. в табл.1). Изменения проявились не только в объемах выпадения элементов, но и в структуре нагрузки, обусловившей различия геохимических ассоциаций:
• в ГПЗ «Басеги» - Сё8/8 > 2п5/1> Си5/1> Мп 1/2 > ЛБ2 > РЬ, Сг,У...
• в ГПЗ «Вишерский» - гп10/2 > Cdб/6 > Си4/1> Мп 1 > РЬ, Сг,У...
Изменение состава технофильных элементов в атмохимической нагрузке и увеличение объемов рассеивания в ГПЗ «Вишерский»
Наблюдения выявили почвенную аккумуляцию технофильных элементов в ГПЗ «Басеги», где суммарная элементная насыщенность почв к 2010 г. относительно 1995 г. увеличилась в полтора раза. В составе накапливающихся элементов преобладает цинк с коэффициентом концентрации 2,98 (в горизонте А0), 1,54 (в горизонте А1А2). Столь существенное превышение элементной насыщенности верхнего почвенного горизонта над ниже расположенным свидетельствует об атмосферном поступлении цинка в почву. В текущий период (2010-2011 гг.) поч-венно-геохимическая ассоциация элементов
свидетельствуют о смещении техногенного ареала в северном направлении. По времени проявления изменения совпали с активизацией освоения запасов северной части Верхнекамского месторождения ископаемых солей, поэтому могут рассматриваться как следствие региональной хозяйственной деятельности.
Специфику выявленных геохимических ассоциаций определяют тяжелые металлы. Их экологическая опасность обусловлена склонностью к биопоглощению и устойчивостью в природной среде, поэтому даже небольшие по объему, но длительные по времени атмохимические нагрузки могут привести к формированию техногенных геохимических аномалий с необратимыми экологическими деформациями. Роль важнейшего природного субстрата, аккумулирующего технофильные элементы, играет насыщенный органическим веществом верхний слой почвы, включающий генетические горизонты А0 (подстилка) и А1А2 (гумусово-аккумулятивный). При равной атмохимической нагрузке адсорбционной емкостью именно этого биогеохимического барьера определяется возможность формирования очага загрязнения, поэтому программой мониторинга предусмотрен контроль аккумуляции элементов в почвенном субстрате (табл. 2).
включает: 2пэ,о>Мп 2,5 > Сг1,7 > Си, Уи >Cd 1>РЬ, N1, лб. .. Существенные отличия почвенно-геохимической ассоциации элементов от атмо-химической являются результатом пролонгиро-ванности последствий техногенного рассеивания предыдущих лет, которое привело к устойчивому обогащению почвенно-биотических компонентов охраняемых экосистем цинком и марганцем. Пролонгированность техногенного давления на экосистемы отчетливо проявляется при сопоставлении уровней нагрузки на компоненты экосистем, рассчитанных по суммарному показателю химического загрязнения - гС [4, 5].
Таблица 2. Среднее за пятилетия содержание элементов в почвенном субстрате,
в мг/кг сухой почвы
Эле- Кларк ГПЗ «Басеги» ГПЗ «Вишерский»
мент для 1995-2000 гг. 2006-2010 гг. 1995-2000 гг. 2006-2010 гг.
почв [61 А0 А1А2 А0 А1А2 А0 А1А2 А0 А1А2
ЛБ 12,00 0,00 0,00 2,97 2,41 0,00 0,00 3,33 2,23
Ве 6,00 0,61 0,87 0,00 0,00 0,00 0,00 0,95 1,60
Cd 0,52 0,31 0,16 0,37 0,41 0,00 0,00 0,34 0,23
РЬ 40,00 38,35 26,51 31,70 32,84 18,56 18,01 24,58 17,36
гп 84,00 105,17 102,58 251,62 128,98 71,18 67,93 76,72 68,25
8Ь 5,00 0,00 0,00 1,44 1,37 0,13 0,21 0,78 0,47
N1 110,00 20,71 31,25 42,68 40,16 19,43 29,06 18,92 29,13
Си 30,00 24,18 31,83 25,43 34,91 11,32 19,21 13,28 18,33
Сг 94,00 59,10 121,58 92,43 162,03 36,91 69,64 49,22 87,53
8г 380,00 47,00 98,16 68,31 102,17 49,77 54,17 88,89 72,48
У 100,00 36,83 93,17 90,36 116,78 73,56 97,15 71,98 97,76
Мп 850,00 1275,00 1218,85 2139,00 2112,00 864,17 733,90 1000,14 807,80
Всего 1776,52 1607,36 1724,96 2746,31 2734,06 1177,54 1089,29 1349,13 1203,17
2138
Значения 2с свидетельствуют, что снижение не сопровождается уменьшением их концентра-объемов атмохимического выпадения элементов ции в почвах и растительности (табл. 3).
Таблица 3. Оценка экологической нагрузки на компоненты охраняемых экосистем по суммарному показателю загрязнения (2с)
Средние для пятилетий значения Zc (предел нормы 16,0)
Природные компоненты ГПЗ «Басеги» ГПЗ «Вишерский»
1995- 2000- 2005- 2010- 1995- 2010-
1999 2004 2009 2011 1999 2011
атмосферные осадки 13,0 60,5 32,5 13,0 3,5 12,5
(пыль)
почва 1,6 2,1 2,7 3,1 1,0 1,2
растительность (листва Betula pubescens) 2,1 2,9 2,9 2,7 1,5 2,9
Выводы: наблюдения показали, что рассматриваемые экосистемы, несмотря на изъятие из хозяйственного оборота, испытывают существенную техногенную нагрузку вследствие атмохимического переноса загрязнителей. Уровень нагрузки определяется близостью источников техногенного рассеивания и в наибольшей степени проявился в экосистемах ГПЗ «Басеги», длительное время находившегося в ареале рассеивания объектов добычи и переработки углей Кизеловского бассейна и других промышленных объектов. Атмохимическое воздействие, оцененное по показателю ZC применительно к содержанию технофильных элементов в атмосферных потоках, за годы наблюдений менялось в пределах категорий «чрезвычайное» / «удовлетворительное». На фоне «пульсирующей» динамики экологического состояния воздушной среды насыщенность технофильными элементами почв и растительности на протяжении всего
TECHNOGENIC ELEMENTS IN ESPECIALLY PROTECTED ECOSYSTEMS OF WEST URAL TAIGA
© 2012 P.N. Bakharev1, E.A. Voronchikhina2, S.I .Ilyinykh1, N.M.Loskutova3 1 State Natural Reserve "Vishera"
2 Natural Scientific Institute 3 State Natural Reserve "Basegi"
Results of biogeochemical monitoring during 1994-2011, carried out within the program of nature chronicles in the territory of West Ural mountain and taiga reserves "Basegi" and "Vishersky" (Permskiy Krai) are presented. The main attention is given to accumulation of technogenic chemical elements in components of ecosystems. Dependence of technogenic pressure upon especially protected ecosystems on regional level of the economic activity, testifying to the leading role in technogenic loading of local polluters is established.
Key words: taiga ecosystems, natural components, chemical composition, technogenic elements, biogeo-chemical processes
Pavel Bakharev, Director. E-mail: zapV@inbox.ru Evgeniya Voronchikhina, Candidate of Geography, Associate Professor. E-mail: Voronchihina-ea@yandex. ru Sergey Ilyinykh, Research Fellow. E-mail: zapV@inbox.ru Nadezhda Loskutova, Candidate of Biology, Leading Research Fellow. E-mail: zapbasegi@rumbler.ru
периода характеризовалась единой устойчивой
тенденцией к обогащению.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Алексеенко, В.А. Экологическая геохимия. - М., 2000. 627 с.
2. Ворончихина, Е.А. Основы ландшафтной хемо-экологии: учебное пособие / Е.А. Ворончихина, Е.А. Ларионова. - Пермь: Перм.ун-т, 2002. 146 с.
3. Сает, Ю.А. Геохимия окружающей среды / Ю.А. Сает и др. - М.: Недра, 1990. 335 с.
4. Критерии оценки экологической обстановки территорий для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия. Утв. ГНТУ Минприроды РФ 30.11.1992. -М., 1992. 54 с.
5. Почва, очистка населенных мест, бытовые и промышленные отходы, санитарная охрана почвы. СанПиН 2.1.7-1287-03. - М., 2007. 12 с.
6. Овчинников, Л.Н. Прикладная геохимия. - М.: Недра, 1990. 248 с.
2139
