CC BY
0УДК 550.462
DOI: 10.24412/cl-37200-2024-535-540
ГЕОХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ОСАДКОВ ФОНОВЫХ ЛЕСОСТЕПНЫХ ЛАНДШАФТОВ КУРСКОЙ ОБЛАСТИ В УСЛОВИЯХ СОВРЕМЕННОГО ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА
GEOCHEMICAL COMPOSITION OF PRECIPITATION IN THE BACKGROUND FOREST-STEPPE LANDSCAPES OF THE KURSK REGION UNDER THE CONDITIONS
OF MODERN CLIMATE CHANGE
Кайданова О.В., Суслова С.Б., Кудерина Т.М., Шилькрот Г.С., Лунин В.Н.
Kaidanova O.V., Suslova S.B., Kuderina T.M., Shilkrot G.S., Lunin V.N.
Институт географии РАН, Москва, Россия Institute of Geography, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
E-mail: oliakai@rambler.ru
Аннотация. В работе представлены результаты изучения геохимического состава дождевых осадков (данные 2017-2023 гг.) фоновых лесостепных ландшафтов Курской биосферной станции в летний период, когда качество и количество осадков особенно важно для нормальной вегетации и плодоношения растительности. Расчет коэффициентов превышения (Кр), равный отношению максимального содержания химических элементов к минимальному, позволил определить геохимические ассоциации с разной степенью содержания макро- и микроэлементов в осадках. Для выявления вероятных областей эмиссии химических элементов проведен расчет обратных траекторий движения воздушных масс (NOAA HYSPLIT MODEL). Установлено, что повышенные содержания в осадках макроэлементов (Ba, Na, K) связаны преимущественно с природными источниками поступления в атмосферу химических элементов, приносимых воздушными массами с востока и южного сектора. При прохождении арктических воздушных масс в лесостепные ландшафты поступают осадки, характеризующиеся минимальными концентрациями макроэлементов и относительно повышенным содержанием Cd, Pb, что, вероятно, связано с местными источниками эмиссии. Преобладающий западный перенос воздушных масс приносит дожди, обогащенные микроэлементами техногенного генезиса - Ni, Cu, Zn, Li, Ag, Pb, Cd, W, Sn. Осадки, приносимые воздушными массами юго-восточного направления, характеризуются подобной геохимической ассоциацией, но меньшими содержаниями Cd, Pb, Sn, W. При организации геохимического мониторинга фоновых ландшафтов Курской области в программу наблюдений должны быть включены химические элементы с высоким уровнем содержания в атмосферных осадках - Mg, Na, Ba, K, Mn, Li, Ni, Cu, Zn, Ag, Pb, Cd, W, Sn.
Ключевые слова: атмосферные осадки, геохимические ассоциации, воздушные массы, трансграничный перенос, лесостепные ландшафты.
Abstract. The paper presents the results of studying the geochemical composition of rainfall (data 20172023) of the background forest-steppe landscapes of the Kursk Biosphere station in the summer, when the quality and amount of precipitation is especially important for normal vegetation and fruiting vegetation. The calculation of excess coefficients (Cr), equal to the ratio of the maximum content of chemical elements to the minimum, made it possible to determine geochemical associations with different degrees of content of macro- and microelements in precipitation. To identify the likely areas of emission of chemical elements, the calculation of the reverse trajectories of the movement of air masses (NOAA HYSPLIT MODEL) was carried out. It has been established that the increased concentrations of macronutrients (Ba, Na, K) in precipitation are mainly associated with natural sources of chemical elements entering the atmosphere, brought by air masses from the east and the southern sector. During the passage of Arctic air masses, precipitation enters the forest-steppe landscapes, characterized by minimal concentrations of macronutrients and relatively high Cd, Pb contents, which is probably due to local emission sources. The predominant western transport of air masses brings rains enriched with trace elements of man-made genesis - Ni, Cu, Zn, Li, Ag, Pb, Cd, W, Sn. Precipitation brought by air masses of the southeastern direction is characterized by a similar geochemical association, but with lower contents of Cd, Pb, Sn, W. When organizing geochemical monitoring of background landscapes of the Kursk region, the observation program should include chemical elements with a high level of content in atmospheric precipitation - Mg, Na, Ba, К, Mn, Li, Ni, Cu, Zn, Ag, Pb, Cd, W, Sn.
Key words: atmospheric precipitation, geochemical associations, air masses, transboundary transport, forest-steppe landscapes.
Введение. В настоящее время функционирование лесостепных ландшафтов ЕТР происходит на фоне общей аридизации климата, проявляющейся в повышении среднегодовой
температуры воздуха, изменении количества выпадающих осадков, частоты и интенсивности погодно-климатических экстремумов [1]. Уменьшение поверхностного стока рек, наблюдаемое в последние годы в лесостепных регионах, в том числе в Курской области, свидетельствует об усилении аридизации, приводящей к дефициту влаги в элементарных ландшафтах ландшафтно-геохимических систем (ЛГС). Так в 2020 г. объем годового стока рек Курской области составил оценочно 1600 млн м3/год, в 2021 г. - 2100 м3/год, в 2022 г. - 1904 млн м3/год при среднем многолетнем речном стоке 3600 млн м3/год [2-4]. Нестабильность количества выпадающих в лесостепных ландшафтах осадков, часто проявляющаяся в их уменьшении в летний период, в значительной мере влияет на увеличение рисков, связанных с проявлением почвенной (агрономической) засухи, продуктивности растительных сообществ и биологического разнообразия, приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур, а также нарушению устойчивого землепользования [5, 6].
Несмотря на относительно густую речную сеть территории Курской области основная часть влаги в ландшафты поступает с атмосферными осадками, которые определяют их «влагонасыщенность», течение геохимических процессов и приток химических элементов в ЛГС.
Современные изменения климата, региональный и трансграничный атмосферный перенос, существенная антропогенная трансформация ландшафтов в лесостепной зоне формируют химический состав атмосферной влаги в приземном слое. Особое воздействие на геохимию осадков оказывают выбросы загрязняющих веществ в атмосферу: они приводят к изменению химического состава осадков, подкисляя или подщелачивая их, обогащая новыми элементами и соединениями в концентрациях, не свойственных атмосферным осадкам ранее [7, 8].
В связи с этим становится актуальным слежение за геохимическим составом атмосферных осадков на фоновых ландшафтах, отражающим в некоторой степени региональную антропогенную нагрузку на территорию.
Цель нашей работы: изучение содержания широкого спектра химических элементов в жидких атмосферных осадках, поступающих в фоновые лесостепные ландшафты Курской биосферной станции (КБС) ИГ РАН в летний период.
Материалы и методы. В лесостепной зоне на КБС ИГ РАН проводятся многолетние геохимические исследования по программе экологического мониторинга - осуществляются наблюдения за широким спектром химических элементов (ХЭ) в компонентах природных ландшафтов. На основе экспериментальных данных 2017-2023 г. изучался геохимический состав атмосферных осадков, поступающих в фоновые лесостепные ландшафты КБС в летние месяцы, когда выпадение дождей с повышенными концентрациями ХЭ может оказывать неблагоприятное воздействие на растительность в период её активной вегетации и плодоношения.
Пробы дождевых осадков отбирались в осадкосборник, установленный в автономной позиции на открытом участке степной территории КБС (51°32'16'' N, 36°5'24'' E). Отбор и подготовку проб для анализа выполняли в соответствии с нормативными документами [9]. Всего было проанализировано 53 пробы дождевой воды. В случаях, когда шли затяжные дожди (несколько суток подряд) для анализа бралась осредненная проба осадков.
В лаборатории Института географии РАН было проведено определение рН и минерализации (мг/л) дождевых осадков методом экспресс-анализа с помощью портативных рН-метра и кондуктометра фирмы Hanna Combo HI 98129. Определение элементного состава дождевых вод выполнено в Аналитическом сертификационном испытательном центре ФГБУ Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов Российской академии наук (АСИЦ ИПТМ РАН) по методике [10] методами атомно-эмиссионной спектрометрии (прибор iCAP-6500 Duo, Thermo Scientific, США) и масс-спектрометрии (прибор Х Series 2, Thermo Elemental, США) с индуктивно связанной плазмой.
С целью определения вероятных областей эмиссии химических элементов с помощью модуля HYSPLIT [11] был выполнен расчет обратных траекторий переноса воздушных масс (ВМ) для конкретных событий [12].
Содержание ХЭ в дождевых осадках оценивалось на основе расчета коэффициентов превышения (Кр) максимального содержания химических элементов над минимальным:
С max
КР _
Оценка содержания ХЭ осуществлялась с учетом направления движения летних ВМ основных румбов: С, СВ, В, ЮВ, Ю, ЮЗ, З, СЗ. На основании Кр ХЭ были выявлены
геохимические ассоциации (ГА) с разной степенью содержания ХЭ, и направления движения ВМ, с которыми они связаны.
Результаты и обсуждение. Курская биосферная станция Института географии РАН расположена в центральной части Курской области (Медвенский р-н) в лесостепной зоне на юго-западных склонах Среднерусской возвышенности. В силу своего местоположения элементарные ландшафты КБС можно рассматривать в качестве фоновой ландшафтно-геохимической системы, не затронутой непосредственным антропогенным воздействием [13, 14].
Основное количество осадков (до 70% годовой суммы) поступает в ЛГС Курской биосферной станции в виде дождей с апреля по октябрь. Среднемноголетнее количество осадков за год составляет 545 мм.
Анализ динамики атмосферных осадков в Курской области свидетельствует об их нестабильности, контрастности распределения по сезонам, в последние годы существенном снижении их количества в летний период (таблица 1). По данным Петринского агрометеорологического поста, расположенного в 12 км к северо-востоку от КБС, за последние 20 лет среднее количество осадков, выпадающих в теплый период, стало ниже среднемноголетних значений на 12-17% [15]. На территории КБС в течение ряда лет отмечается заметное снижение количества осадков в период август - сентябрь.
Таблица 1
Динамика дождевых осадков (мм) в Курской области [по данным: 4-6, 16-18]
Год исследования Количество осадков
за год весенний период летний период осенний период
2017 636 101 254 124
2018 544 31 252 55
2019 525 58 176 89
2020 507 200 131 68
2021 624 110 164 171
2022 834 221 141 183
Данные рН и минерализации осадков представлены в таблице 2. Единичные максимальные значения показателей, связанные, как правило, с прохождением воздушных масс (ВМ) через центральные части ЕТР в период проведения сельхозработ, не учитывались [19]. В это время в приземную атмосферу поступает большое количество мелкодисперсных частиц, что способствует обогащению ВМ химическими элементами и обуславливает высокие, не свойственные фоновым ландшафтам, показатели дождевых осадков.
Таблица 2
Химические показатели дождевых осадков, 2017-2023 гг.
Химические показатели рН Минерализация, мг/л
КБС
Весенний период 4,9-6,5 3,0-30,1
Летний период 5,2-7,6 10,0-27,4
Осенний период 4,6-6,0 4,6-29,1
Средн. 5,7 17,9
Воронежский ГПБЗ имени В.М. Пескова
Средн. [20] 5,9 12,1
В целом дожди, выпадающие на территории КБС, чаще всего характеризуются слабокислой реакцией среды. Наибольший диапазон колебаний значений рН наблюдается в летний период: от слабокислых до слабощелочных. Повышение рН осадков, как правило, отмечается после длительного отсутствия дождей. Среднее значение рН осадков составляет 5,7, минерализации - 17,9 мг/л, что соответствует региональным фоновым показателям дождей [20], фиксируемым в Воронежском ГПБЗ им. В.М. Пескова.
Геохимический состав осадков определяется многими факторами, зависит как от параметров самих дождей [21], так и от особенностей циркуляции атмосферы, обуславливающей региональный и дальний перенос ХЭ природного и техногенного происхождения. Локальные техногенные источники поступления ХЭ в атмосферу Курской области: предприятия горнодобывающей промышленности КМА, расположенные в 110 км к ССЗ от КБС, предприятия г. Курска, в первую очередь, Курский аккумуляторный завод (КАЗ), предприятия
г. Железногорска, Курчатова [14]. Региональные источники ХЭ расположены на территориях сопредельных областей: горнодобывающие и металлургические производства в Липецкой и Белгородской областях, крупные промышленные предприятия городов Белгорода, Липецка, Воронежа, Орла, Брянска. С трансграничными атмосферными потоками поступают осадки, обогащенные ХЭ, источниками которых являются промышленные центры западной и южной Европы, Казахстана.
В таблицах 3, 4 на основе расчетов обратных траекторий движений ВМ и Кр в осадках представлены геохимические ассоциации с разной степенью содержания ХЭ, а также их изменчивость. Анализ содержаний макроэлементов в атмосферных осадках, выпадающих на территории КБС показал, что с арктическими (северными) воздушными массами в лесостепные ландшафты поступают осадки, характеризующиеся минимальной изменчивостью концентраций ХЭ (таблица 3). При прохождении северо-западных, северо-восточных и юго-восточных ВМ в осадках наблюдаются повышенные уровни содержания Мп, К, мй, что вероятно, обусловлено воздействием горнодобывающих и металлургических предприятий, расположенных в Белгородской, Липецкой, а также в северо-западной части Курской области. Повышенные содержания в осадках Ва, К, приносимых воздушными массами с востока и южного сектора, по-видимому, связаны с поступлением их с аридных ландшафтов.
Таблица 3
Геохимические ассоциации растворенных форм макроэлементов в осадках с учетом движения воздушных масс
Кр <20 20< Кр <50 50< Кр <100 Кр >100
С Л1, 81, Са, Р, 8, 8г, Бе, №, К, Мп, Ва, Мй
СВ 81, Са, Р, 8г, Бе, К, Ва Л1, 8, №, МЙ Мп
В Л1, 81, Са, Р, 8, Бе, Мп 8г, №, К, Мй Ва
ЮВ 81, Са, Р, 8, Мп Л1, 8г, Бе, N К, Ва Мй
Ю Л1, 81, Р, 8, Мп, Ва Са, 8г, Бе, К №, Мй
ЮЗ 81, Р, 8, Ва Л1, Са, 8г, Бе, Мп №, К Мй
З Р, Бе, Мп Л1, 81, Са, 8, 8г, К Мй, Ва №
СЗ 81, Р, 8 Л1, Са, 8г, Бе, №, Мп, Ва К Мй
Большинство микроэлементов, поступающих с осадками в лесостепные ландшафты КБС, также, как и макроэлементов, входят в ГА, характеризующиеся относительно малой изменчивостью содержаний (Кр <20). Стоит отметить, что такие осадки приносят не только арктические ВМ, но и ВМ южного направления (таблица 4). Данные таблицы 4 показывают влияние на геохимический состав осадков местных источников эмиссии: повышенные концентрации Cd и РЬ в осадках, поступающих с ветрами северных румбов, очевидно, связаны с выбросами промышленных предприятий г. Курска и, в первую очередь, КАЗа [12]. Осадки, обогащенные Ы, N1, Си, гп, Лй, РЬ, Cd, 8п, приносят ВМ западного сектора, что свидетельствует о значимости трансграничного переноса. Такая же ГА характерна для дождей, выпадающих при прохождении воздушных масс юго-восточного направления, но отличается меньшими содержаниями Cd, РЬ, 8п, По всей вероятности, источниками эмиссии этих ХЭ являются промышленные предприятия Воронежской и Белгородской областей.
Таблица 4
Геохимические ассоциации растворенных форм микроэлементов в осадках с учетом движения воздушных масс
Кр <20 20< Кр <50 50< Кр <100 Кр >100
С Ы, N1, Си, гп, 8п, Лй, 8Ь, Сг, ЯЬ, V, Мо, Ве, ' РЬ Cd
СВ N1, гп, 8п, Лй, 8Ь, Сг, ЯЬ, V, Мо, Ве, ' Ы, Си, Cd РЬ
В N1, гп, 8п, Лй, 8Ь, Сг, ЯЬ, V, Мо, Ве, ' Ь1 Си, Cd РЬ
ЮВ 8Ь, Сг, ЯЬ, V, Ве Мо, ' РЬ, Cd, 8п и N1, Си, гп, Лй
Ю N1, Си, гп, РЬ, С4 8п, 8Ь, Сг, ЯЬ, V, Мо, Ве, ' и Лй
ЮЗ 8п, 8Ь, Сг, ЯЬ, V, Мо Ве и N1, Си, гп, РЬ, С4 ЛЙ, '
З 8Ь, Сг, ЯЬ, V, Мо Cd, Лй, Ве, Ы, N1, Си, гп, РЬ, 8п
СЗ Лй, 8Ь, Сг, ЯЬ, V, Мо, Ве, ' 8п Ь1, РЬ N1, Си, гп, Cd
Заключение. Изучение химического состава атмосферных осадков, поступающих в фоновые лесостепные ландшафты в летний период, важная составная часть геохимического мониторинга, проводимого на КБС ИГ РАН. Летние дожди чаще всего характеризуются слабокислой реакцией среды (рНср = 5,7) и невысокой минерализацией (Сср=17,9 мг/л), что соответствует региональным фоновым показателям осадков, фиксируемым в Воронежском ГПБЗ им. В.М. Пескова. На основании анализа обратных траекторий движения ВМ и расчета Кр определены геохимические ассоциации с разной степенью содержания макро- и микроэлементов в осадках. Обогащение осадков ХЭ происходит как за счет природных, так и техногенных источников. С первыми в большей степени связано содержание в осадках макроэлементов. Об этом свидетельствуют повышенные концентрации в осадках Ba, Na, K, приносимых воздушными массами с востока и южного сектора. Заметное влияние на геохимический состав осадков оказывают выбросы предприятий Курской области: с северными и северо-западными ВМ в фоновые ландшафты КБС поступают осадки, обогащенные Cd, Pb, Mg. Высокие содержания Li, Ni, Cu, Zn, Ag, Pb, Cd, W, Sn в осадках наблюдаются при прохождении ВМ западного сектора и юго-восточного направления. Основная роль в этом, очевидно, принадлежит трансграничному переносу и региональным потокам.
Геохимические ассоциации ХЭ в осадках, полученные на основе расчета Кр, показывают, что с арктическими воздушными массами в лесостепные ландшафты поступают осадки, характеризующиеся относительно низкими концентрациями ХЭ и малой изменчивостью (Кр<20). Содержание ХЭ в атмосферных осадках, приносимых арктическими ВМ, могут считаться фоновыми (с учетом региональных особенностей) и в дальнейшем могут использоваться при проведении мониторинговых исследований геохимии атмосферных осадков лесостепных ландшафтов.
В современных условиях изменения климата и развития промышленности в лесостепной зоне при организации геохимического мониторинга фоновых ландшафтов Курской области в программу наблюдений должны быть включены химические элементы с высоким уровнем содержания в атмосферных осадках - Mg, Na, Ba, K, Mn, Li, Ni, Cu, Zn, Ag, Pb, Cd, W, Sn.
Работа выполнена в рамках государственного задания Института географии РАН -FMWS-2024-0007 «Биотические, географо-гидрологические и ландшафтные оценки окружающей среды для создания основ рационального природопользования».
Список литературы
1. Третий оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. Общее резюме. СПб.: Наукоемкие технологии, 2022. 124 с.
2. Доклад о состоянии и охране окружающей среды на территории Курской области в 2020 году. Курск, 2021. 214 с. URL: https://priroda.kursk.ru/upload/iblock/de4/eco_doklad_2021_.pdf (дата обращения: 27.11.2023).
3. Доклад о состоянии и охране окружающей среды на территории Курской области в 2021 году. Курск, 2022. 234 с. URL: https://priroda.kursk.ru/upload/iblock/f7a/Doklad-Ekologiya-za-2021.pdf (дата обращения: 27.11.2023).
4. Доклад о состоянии и охране окружающей среды на территории Курской области в 2022 году. Курск, 2023. 254 с. URL: https://priroda.kursk.ru/upload/iblock/7a9/cay3mmkb78cn9yp192qzh431b1idw7sw/ Ekologi-2022.pdf (дата обращения: 27.11.2023).
5. Андреева О.В., Куст Г.С. Оценка состояния земель в России на основе концепции нейтрального баланса их деградации // Известия РАН. Серия географ. 2020. № 5. С. 737-749. DOI: 10.31857/s2587556620050052
6. Национальный доклад «Глобальный климат и почвенный покров России: опустынивание и деградация земель, институциональные, инфраструктурные, технологические меры адаптации (сельское и лесное хозяйство)». / ред. Р.С.-Х. Эдельгериева. М.: Почвенный ин-т им. В.В. Докучаева. Институт географии РАН, МБА. 2019. Т. 2. 476 с.
7. Seinfeld J.H., Pandis S.N. Atmospheric chemistry and physics: from air pollution to climate change. 2-nd Edition. New York: Wiley, 2006. 1232 p.
8. Park S.-M., Seo B.-K., Lee G., Kahng S.-H, Jang Y.W. Chemical composition of water soluble inorganic species in precipitation at Shihwa Basin, Korea // Atmosphere. 2015. Vol. 6. Р. 732-750.
9. РД 52.04.186-89. Руководство по контролю загрязнения атмосферы. М., 1991. 696 с.
10. НСАМ №520-АЭС/МС, Определение элементного состава природных, питьевых, сточных и морских вод атомно-эмиссионным и масс-спектральным методами с индуктивно связанной плазмой (ред. 2017 года).
11. https://www.ready.noaa.gov NOAA - Air Resources Laboratory. URL: http://www.arl.noaa.gov (дата обращения: 15.10.20203).
12. Stein A.F., Draxler R.R., Rolph G.D., Stunder B.J.B., Cohen M.D., Ngan F. NOAA's HYSPLIT atmospheric transport and dispersion modeling system // Bull. Am. Meteor. Soc. 2015. Vol. 96. Р. 2059-2077.
13. Кудерина Т.М., Суслова С.Б., Замотаев И.В., Кайданова О.В., Шилькрот Г.С., Лунин В.Н. Атмогеохимическое состояние лесостепных ландшафтов Курской биосферной станции // Ландшафтоведение: теория, методы, ландшафтно-экологическое обеспечение природопользования и устойчивого развития: Материалы XII Междунар. ландшафтной конф., Тюмень-Тобольск, 22-25 августа 2017 г., Изд-во ТГУ, 2017. Т. 1. С. 295-297.
14. Кайданова О.В., Суслова С.Б., Кудерина Т.М., Замотаев И.В., Кудиков А.В. Геохимический мониторинг лесостепных ландшафтов Курской биосферной станции // Проблемы региональной экологии. 2020. № 4. С. 37-42. DOI: 10.24411/1728-323X-2020-14037.
15. Дериглазова Г.М, Боева Н.Н. Динамика погодных условий Курской области за последние 50 лет // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. 2020. № 7. С. 15-21.
16. Доклад о состоянии и охране окружающей среды на территории Курской области в 2017 году. Курск, 2018. 16 с. URL: https://priroda.kursk.ru/upload/iblock/675/tiuy1k2pln2y9bcluw3m19g3djz xeenz/D0KLAD_2017 .pdf (дата обращения: 27.11.2023).
17. Доклад о состоянии и охране окружающей среды на территории Курской области в 2018 году. Курск, 2019. 214 с. URL: https://priroda.kursk.ru/upload/iblock/f4d/3pl0y293je90y8tzmam454 k7zyh9oxa1/D0KLAD_2018.pdf (дата обращения: 27.11.2023).
18. Доклад о состоянии и охране окружающей среды на территории Курской области в 2019 году. Курск, 2020. 199 с. URL: https://priroda.kursk.ru/upload/iblock/859/Dollad_2020_2.pdf (дата обращения: 27.11.2023).
19. Кудерина Т.М., Лунин В.Н., Суслова С.Б. Геохимический состав атмосферных осадков лесостепных ландшафтов Курской биосферной станции // Проблемы региональной экологии, 2018. № 2. С. 78-83. DOI: 10.24411/1728-323X-2018-12078.
20. Свистов П.Ф., Полищук А.И., Першина Н.А. Фоновый уровень состояния атмосферы по многолетним данным о химическом составе атмосферных осадков // Труды Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова. 2009. С. 116-142.
21. Власов Д.В., Еремина И.Д. Влияние параметров дождей на интенсивность вымывания из атмосферы потенциально токсичных элементов в Москве // Современные тенденции и перспективы развития гидрометеорологии в России: материалы III Всерос. научно-практ. конф. Иркутск: Изд-во ИГУ, 2020. С. 380-388. DOI: 10.26516/978-5-9624-1874-2.2020.1-465
