CC BY
45
Наиболее интенсивно прирастают по диаметру (табл. 2) деревья сосны в первые 20 лет жизни, в дальнейшем рост снижается. Так у деревьев в 100-летнем возрасте в первые 20 лет радиальный прирост равен 15,3 мм (0,76 мм в год), в 40
лет - 11,3 мм (0,56 мм), а в 100 лет - 9,5 мм (0,47 мм). В то же время значительных различий в интенсивности прироста по диаметру у деревьев на различной высоте над уровнем моря не выявлено.
Таблица 3
Характеристика подроста в сосняке осочково-разнотравном
№ участка Порода Кол-во Высота подроста, м Благонадежный подрост, %
менее 0,5 0,6-1,5 более 1,5
1 П 2290 270 630 1380 83,2
К 90 80 10 - 100,0
С 70 10 60 - 100,0
2 П 1750 290 910 550 79,4
К 10 10 - - -
С 60 20 - 40 47,4
3 П 1350 130 970 250 77,3
С 50 10 - 40 53,0
4 П 2370 320 1290 760 70,8
К 160 50 80 30 91,9
С 40 - 30 10 67,5
Несмотря на несущественное присутствие пихты сибирской в составе основного полога (1-3 единицы) ее роль в возобновительном процессе оказывается основной (табл. 3). В составе подроста под пологом леса удельный вес пихты достигает 96,2 %, в то время как доля сосны не превышает 3,8 %, и расположена она главным образом в окнах верхнего полога. К тому же сосновый подрост отличается меньшей благонадежностью в сравнении с пихтовым.
Общее количество подроста (до 2570 шт./га) казалось бы должно быть достаточным для успешного естественного возобновления, когда на одно растение приходится около 4 м2 площади, но если взять во внимание его количество при высоте более 1,5 м (среди которого на 1 экземпляр приходится более 7 м2 площади), то этого объема оказывается недостаточно. Если же выделить подрост сосновый, то можно утверждать, что незначительное его количество не в состоянии заменить материнский древостой.
Таким образом, процесс естественного самовозобновления сосновых лесов нарушен в связи с наличием неудовлетворительных условий окружающей среды. По нашему мнению, это связано с проведением в течение длительного времени несплошных рубок, которые вызывают в первую очередь мощное развитие живого напочвенного покрова с участием светолюбивых растений, способных образовывать дернину. Второй причиной является зоогенное влияние в связи с тем, что сосновые массивы находятся вблизи населенных пунктов и постоянно подвергаются бесконтрольному выпасу сельскохозяйственных животных. Необходимо изменить режим пользования в данных приречных сосновых массивах, особенно в отношении системы рубок и мер содействия естественному возобновлению с целью создания для сосны обыкновенной более благоприятных условий для самовозобновления.
Библиографический список
1. Нехорошев, В.П. Тектоника Алтая. - М.: Недра, 1966.
2. Геоморфология Алтайского края. - М.: Изд-во АН СССР, 1958.
3. Грибанов, Л.Н. Степные боры Алтайского края и Казахстана. - М.-Л.: Гослесбумиздат, 1960.
4. Вангниц, П.Р. Ленточные боры. - М.-Л.: Гослесбумиздат, 1953.
5. Парамонов, Е.Г. Леса Республики Алтай. - Барнаул, 1998.
6. Ильина, И.С. Растительный покров Западно-Сибирской равнины / И.С. Ильина, Е.Н. Лапшина. - Новосибирск: Наука, 1985.
Bibliography
1. Nekhoroshev, V.P. Tectonics of Altai. - М.: Nedra, 1966.
2. Geomorphology of Altai Krai. - М.: USSR Academy of Sc. Publ., 1958.
3. Gribanov, L.N. Steppe pine forest of Altai Krai and Kazakhstan. - М.-L.: Goslesbumizdat, 1960.
4. Vangnits P.R. Pine forest belts. - М.-L., 1953.
5. Paramonov, Ye.G. Forests of Republic of Altai. - Barnaul, 1998.
6. Il’ina, I.S. Vegetation cover of the West Siberian Plain / I.S. Il’ina, E.N. Lapshina. - Novosibirsk: Nauka, 1985.
Статья поступила в редакцию 01.04.11
УДК 504.455
Eyrikh А.N., Seryck T.G., Dryupina E.Yu. MICROELEMENTS IN WATER NOVOSIBIRSK RESERVOIR. The features of the content and distribution of dissolved trace elements in water of the Novosibirsk reservoir. Identified contaminated sites at the reservoir. The factors influencing the content of microelements in the water of the Novosibirsk reservoir.
Key words: heavy metals, microelements, redox conditions, pore water.
А.Н. Эйрих, канд. техн. наук, н.с. ИВЭП СО РАН; Т.Г. Серых, ведущий инженер ИВЭП СО РАН;
Е.Ю. Дрюпина, асп. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул,E-mail: [email protected]
МИКРОЭЛЕМЕНТЫ В ВОДЕ НОВОСИБИРСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА
Рассматриваются особенности содержания и распределения растворенных форм микроэлементов в воде Новосибирского водохранилища. Определены участки с превышением уровня ПДКв и ПДКвр и факторы, влияющие на содержание микроэлементов в воде Новосибирского водохранилища.
Ключевые слова: тяжелые металлы, микроэлементы, окислительно-восстановительные условия, поровая вода.
При экологических исследованиях речных экосистем важным аспектом является изучение содержания растворенных форм загрязняющих веществ в воде, среди которых наибольшее влияние на качество природных вод оказывают тяжелые металлы, относящиеся к консервативным загрязняющим веществам. Они не разлагаются в природных водах и способны мигрировать в водных средах на значительные расстояния [1]. Микроэлементы являются непременными компонентами поверхностных вод суши и значительным образом влияют на качество водной среды и функционирование водных экосистем [2].
Тяжелые металлы могут быть как нетоксичными, так и проявлять в водных экосистемах низкую, среднюю и высокую токсичность. Токсичными являются As, Cd, Си, РЬ, БЬ, Zn, относящиеся к классу В (халькофильные элементы) по шкале комплексных соединений [3]. Поступление их в водные объекты континентов происходит в результате естественных процессов или вследствие антропогенного загрязнения [4].
Новосибирское водохранилище - самый крупный искусственный водоем Западной Сибири. Его бассейн включает территории Новосибирской области и Алтайского края. Площадь водосбора р. Оби в створе гидроузла составляет 228 тыс. км2.
В последние годы особенно актуальной стала проблема качества воды Новосибирского водохранилища. Его водные ресурсы имеют водоснабженческое назначение, используются для ирригации и рекреации, в нижнем бьефе обеспечивают цели коммунального хозяйства г. Новосибирска и речного транспорта [5].
Изучение растворенных форм микроэлементов в воде Новосибирского водохранилища представляет большой интерес. С одной стороны, это дает возможность понять механизмы формирования состава воды и процессы, протекающие в водной среде, с другой - позволяет определить уровень загрязненности воды и оценить биодоступность металлов для водных организмов.
Целью работы явилось изучение особенностей содержания и распределения растворенных форм микроэлементов в поверхностной и поровой воде Новосибирского водохранилища и установление факторов, влияющих на их содержание.
Методы исследования
В данной работе представлены результаты изучения содержания растворенных форм микроэлементов в пробах воды Новосибирского водохранилища, отобранных в июне 2010 г. Для исследования содержания микроэлементов в воде, в первую очередь, была выбрана схема контрольных точек отбора проб в наблюдаемых створах водохранилища (от г. Камень-на-Оби до п. Сосновка). Пробоотбор осуществлялся с трех вертикалей (с глубины 0,2 її, 0,6 її, 0,8 ї, где її - высота водяного столба), а также поровой воды. Пробы воды отбирали стеклянным батометром в полиэтиленовые емкости, затем фильтровали в течение одного часа с момента отбора во избежание перераспределения элементов между фазами. Фильтрат собирался в чистую специально подготовленную посуду из полиэтилена высокого давления [6]. Отобранные пробы воды консервировали концентрированной азотной кислотой (марки ОСЧ) до pH < 2 [7]. Донные отложения отбирали дночерпате-лем Петерсена на глубине до 10 см от поверхности их залегания. Для получения поровой воды пробы донных отложений отстаивали до полного разделения водной и твердой фаз. Образовавшуюся жидкость сливали в чистую посуду и сразу фильтровали через мембранные фильтры. До проведения анализа пробы поровой воды хранили в атмосфере аргона. С целью учета возможного загрязнения проб металлами все стадии (отбор, фильтрование, консервация, транспортировка и хранение) контролировали «полевой холостой пробой». На месте отбора проводили измерение температуры, pH и Еї воды (поверхностной и поровой), все последующие определения и исследования проводили в лабораторных условиях согласно существующим методикам [8-9].
Концентрации тяжелых металлов определяли методом атомно-абсорбционной спектрометрии с использованием пламенного варианта (ацетилен-воздух) и электротермической атомизации (ЭТА) на приборе SOLAAR М-6, для градуировки прибора применяли стандартные растворы ГСО определяемого элемента.
Результаты исследования и их обсуждение
Анализ полученных данных (табл. 1) показывает, что концентрации микроэлементов в поверхностной воде Новосибирского водохранилища варьируют в следующих пределах: As - 0,5-1,10 мкг/дм3; Cd - 0,01-1,69; Со - 0,2; Си - 0,29-7,84; Сг - 0,10-0,58; Fe - 4,90-882; Мп - 0,50-9,62; № - 0,20-6,10; РЬ
- 0,20-7,63; Zn - 4,0-105 мкг/дм3.
Таблица 1
Среднее содержание растворенных форм микроэлементов в воде Новосибирского водохранилища, мкг/дм3
Элементы Точки отбора проб ПДКВ ПДКвр
1 3 4 5 6 7
As 0,6 ± 0,3 0,4 ± 0,2 0,5 ± 0,3 0,3 ± 0,2 0,6 ± 0,3 0,3 ± 0,1 10 50
Cd 0,26 ± 0,09 <0,01 <0,01 0,013 ± 0,005 <0,01 0,020 ± 0,007 1 5
Со <0,2 <0,2 <0,2 <0,2 <0,2 <0,2 100 10
Си 1,6 ± 0,7 1,57 ± 0,05 1,0 ± 0,1 2,0 ± 0,8 1,6 ± 0,6 1,9 ± 0,8 1000 1
Сг <0,2 0,4 ± 0,2 0,15 ± 0,07 <0,2 <0,2 <0,2 50 5
Fe 114 ± 26 275 ± 63 354 ± 81 458±105 505±112 633±146 300 100
Мп 6 ± 2 5 ± 1 4 ± 1 6 ± 2 3,1 ± 0,9 1,4 ± 0,4 100 10
№і 1,8 ± 0,6 0,7 ± 0,3 0,8 ± 0,3 0,6 ± 0,2 0,6 ± 0,2 0,5 ± 0,2 20 10
РЬ 0,2 ± 0,1 0,5 ± 0,2 0,8 ± 0,3 1,1 ± 0,5 0,3 ± 0,1 0,3 ± 0,1 10 6
Zn 53 ± 15 66 ± 19 60 ± 17 58 ± 17 45 ± 13 40 ± 12 1000 10
Рис. 1. Пространственное распределение растворенных форм (РФ) железа и меди в воде Новосибирского водохранилища
Пространственное распределение растворенных форм микроэлементов в воде по длине Новосибирского водохранилища достаточно равномерно. Однако концентрация железа увеличивается от верхнего створа к нижнему (рис. 1).
Для оценки уровня загрязненности воды микроэлементами было проведено сравнение определяемого содержания растворенных форм микроэлементов с законодательно регламентированными предельно допустимыми концентрациями (ПДКв) для вод хозяйственно-бытового назначения и ПДКвр для рыбохозяйственных водоемов. Результаты анализа показывают, что превышение ПДКВ наблюдается для Fe (1,3-
1,9 ПДКв), ПДКвр - для Fe (1,1-5,8 ПДКвр) и Си (1,6-
2,0 ПДКвр).
Наряду с изучением профильного распределения растворенных форм микроэлементов в воде Новосибирского водохранилища также было исследовано вертикальное распределение металлов по его глубине в трех сегментах створа (0,2 ^ 0,6 ^ 0,8 ^ и поровой воде донных отложений. Максимальное содержание элементов фиксировали в поровой воде. Значительная разница концентраций свидетельствует о различной интенсивности прохождения окислительных процессов в поверхностной и поровых водах.
При изучении распределения микроэлементов в водных экосистемах особое внимание необходимо уделять факторам, влияющим на миграционную подвижность металлов и их способность к обмену между донными отложениями (ДО) и водой. Из всех существующих факторов наиболее типичными движущими силами интенсификации обмена микроэлементов в системе «донные отложения - поровый раствор» являются изменение окислительно-восстановительных условий и значения pH, а также концентрация растворенного органического вещества [10-11]. Верхний слой донных отложений (0-10 см) активно участвует в обменных процессах с поровыми и придонными водами. В зависимости от гидрологических особенностей в нем могут преобладать окислительные (Eh > +100 mV), восстановительные (Eh < -100 mV) или промежуточные (смешанные) окислительно-восстановительные условия (Eh от +100 до -100 mV), которые, в свою очередь, определяют формы нахождения микроэлементов.
Например, в первой точке отбора (1.3, правый берег) содержание растворенных форм марганца в поверхностной, придонной и порой водах находится в пределах от 2,83 до 10,2 мкг/л (рис. 2). При этом в поровой воде донных отложений отмечены окислительные условия (Eh = +259 mV).
Таблица 2
Содержание микроэлементов в поровой воде Новосибирского водохранилища, мкг/дм3
Элементы Точки отбора проб
1.1 1.2 1.3 3 4 5.1 5.2 5.3 6.1 6.2 6.3 7.1 7.2 7.3
As <0,5 0,72 0,54 <0,5 24,5 46,6 67,9 64,4 20,0 14,0 20,0 6,83 24,4 4,75
Cd 1,69 1,05 0,23 0,03 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 0,04 1,36 0,01
Со <0,2 <0,2 <0,2 <0,2 1,17 1,05 1,92 2,92 0,95 0,40 2,70 1,03 2,17 1,10
Си 3,10 5,46 3,55 4,05 3,07 22,6 22,6 12,0 3,38 1,87 1,65 1,78 0,79 1,37
Сг <0,2 <0,2 <0,2 <0,2 2,51 0,40 2,34 3,15 2,24 1,89 2,99 1,80 5,30 1,95
Fe* 0,65 0,80 0,66 0,73 2,94 0,76 5,69 8,98 4,64 1,67 7,74 0,83 18,4 0,85
Мп* 0,002 0,01 0,003 0,001 2,56 8,25 12,8 10,7 4,15 3,53 8,99 2,75 3,70 1,34
№і <0,2 0,19 <0,2 0,53 3,05 4,42 6,68 5,40 2,03 1,48 4,56 7,33 6,26 4,48
РЬ <0,2 <0,2 <0,2 <0,2 <0,2 <0,2 <0,2 <0,2 <0,2 <0,2 <0,2 <0,2 0,42 <0,2
Zn 121 91,3 68,8 35,4 68,7 43,5 35,7 42,9 42,2 37,4 10,9 45,4 92,2 46,1
Еї, mV +238 +238 +259 +285 +242 -34 -100 -142 -42 -15 -100 -85 -130 -95
Примечание: * - мг/ дм3.
0^
0^
0^
поровая
0 2 4 6
Концентрация, мкг/л
Рис. 2. Распределение растворенных форм марганца в воде Новосибирского водохранилища в пробе 1.3
В пятой точке отбора (5.3, правый берег) концентрация ситуация наблюдалась для всех точек отбора, в которых были растворенных форм марганца в поровой воде в 1877 раз пре- отмечены восстановительные условия донных отложений. вышает его содержание в поверхностной воде (рис. 3). Такая
0,2И
0,6И
0,8И
поровая/1000
4 8
Концентрация, мкг/л
12
0
Рис. 3. Распределение растворенных форм марганца в воде Новосибирского водохранилища в пробе 5.3
Следует отметить, что в поровой воде были обнаружены значительные отличия содержания микроэлементов в отобранных пробах одного и того же створа. При этом в них также отмечались разные окислительно-восстановительные условия. Нами было определено, что даже относительно небольшие изменения окислительно-восстановительных условий влияют на содержание микроэлементов в поровой воде. Такая ситуация наблюдалась в створах 5-7. Так при переходе от умеренных (промежуточных) условий к восстановительным в этих створах наблюдается значительное увеличение содержания Fe, Мп, Со и Сг в поровой воде донных отложений
(табл. 2). Для As, Cd, Си, №, РЬ, Zn такая зависимость не прослеживается, что связано с образованием при анаэробных условиях плохо растворимых в воде сульфидов этих микроэлементов.
Поэтому для оценки уровня загрязненности поровой воды донных отложений микроэлементами было проведено сопоставление проб с одинаковыми окислительно-восстановительными условиями залегания. Анализ полученных данных показал, что наибольшее содержание микроэлементов находится в поровых водах с восстановительными условиями (табл. 3).
Содержание микроэлементов в поровой воде Новосибирского водохранилища с разными окислительно-восстановительными условиями залегания ДО, мкг/дм3
Таблица 3
Окислительно-восстановительные условия ДО
Элементы окислительные, промежуточные, восстановительные,
Еї>+100 mV Еї от +100 до -100 mV Еї<-100 mV
0,25-24,5 4,75-46,6 14,0-67,9
5,25 18,4 44,2
0,005-1,369 0,005-0,04 0,005-1,36
Cd 0,60 0,01 0,34
0,10-1,17 0,40-2,70 1,97-2,70
0,31 0,91 2,43
1,53-5,46 1,37-22,6 0,79-22,6
3,85 6,20 9,26
0,10-2,51 0,40-2,24 2,34-5,30
0,58 1,66 3,45
Fe* 0,65-2,94 1,16 0,76-4,64 1,75 5,69-18,4 12,4
0,02-2,56 1,35-8,25 3,53-12,8
0,52 4,01 9,04
0,10-3,05 1,48-6,26 4,56-6,68
0,79 3,95 5,73
Pb <0,2 <0,2 <0,2
68,7-121 37,4-46,2 10,9-92,2
zn 77,0 42,9 45,4
n 5 5 4
Примечание: * - мг/ дм3, в числителе - интервал значений; в знаменателе - среднее значение, п - количество проб.
При этом отмечено, что наибольшее содержание Cd, Zn (типичные халькофильные элементы) находится в поровой воде с окислительными условиями. В анаэробных условиях при взаимодействии металлов с сульфид-анионами образуются плохо растворимые в воде соединения, что приводит к осаждению последних в составе ДО [12].
Наиболее высокие концентрации микроэлементов в пробах поровой воды с восстановительными условиями соответствуют распределению сульфидов металлов в ряду произведения растворимости (ПР): MnS > FeS > NiS > CoS > ZnS > CdS > PbS. Это определяет наибольшую мобильность ионов марганца и железа в пробах поровой воды с восстановительными условиями.
Заключение
Таким образом, в результате исследования содержания растворенных форм микроэлементов в воде Новосибирского водохранилища отмечено превышение для железа от 1,3 до
1,9 ПДКв и от 1,2 до 2,1 ПДКЕр. а так же для меди - от 1,6 до
2,0 ПДКвр. Продольное распределение растворенных форм микроэлементов в воде по длине Новосибирского водохранилища достаточно равномерно, за исключением железа концентрация, которого увеличивается от верхнего створа к нижнему.
Максимальные концентрации микроэлементов были определены в поровой воде донных отложений. Относительно небольшие изменения окислительно-восстановительных условий влияют на их содержание в поровой воде. Наибольшие концентрации большинства металлов находятся в поровых водах с восстановительными условиями, а содержание С^ Ъп
- с окислительными.
Библиографический список
1. Папина, Т.С. Транспорт и особенности распределения тяжелых металлов речных экосистемах // Экология. - Новосибирск, 2001. - Вып.
62.
2. Линник, П.Н. Роль растворённых органических веществ в миграции цинка, свинца и кадмия в водохранилищах Днепра / П.Н. Линник, И.В. Искра // Водные ресурсы. - 1997. - № 4.
3. Sabmons, W. Metals in the Hygrocycle / W. Satomons, U. Forstner. - Berlin, Springer-Verlag, 1984.
4. Карнаухова, Г.А. Баланс тяжёлых металлов в водохранилищах Ангарского каскада / Г.А. Карнаухова // Фундаментальные проблемы изучения и использования воды и водных ресурсов. Материалы научной конференции. - Иркутск: Изд-во Института географии СО РАН, 2005.
5. Васильев, О.Ф. Экологическое состояние Новосибирского водохранилища / О.Ф. Васильев, В.М. Савкин, С.Я. Двуреченская // Сибирский экологический журнал. - 2000. - № 2.
6. ИСО 5667-6 Руководство по отбору проб водных потоков. - М.: Изд-во стандартов, 1998.
7. Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к отбору проб поверхностных и морских вод, льда и атмосферных осадков. - Введ. 01.07.86. - М., 2002. - ГОСТ 17.1.5.05-85.
8. Количественный химический анализ вод. - М., 1998. - ПНД Ф 14.1:2:4.139-98.
9. Количественный химический анализ вод. - М., 1998. - ПНД Ф 14.1:2:4.140-98.
10. Forstner, U. Non-linear release of metal from aquatic sediments. Biogeodynamics of pollutants in solids and sediments. - Berlin, SpringerVerlag, 1995.
11. Линник, П.Н. Гумусовые вещества как важный фактор в миграции металлов в системе донные отложения - вода / П.Н. Линник, А.В. Зубко // Экологическая химия. - 2007. - № 16(2).
12. Третьякова, Е.И. Особенности распределения тяжелых металлов по компонентам водоемов различной минерализации / Е.И. Третьякова, Т.С. Папина // Химия в интересах устойчивого развития. - 2000. - № 8.
Bibliography
1. Papina, T.S. Transport and distribution characteristics of heavy metals in river ecosystems // Ecology. - Novosibirsk, 2001. - Vol. 62.
2. Linnik, P.N. The role of dissolved organic matter in the migration of zinc, lead and cadmium in the reservoirs of the Dnieper / P.N. Linnik, I.V. Spark // Water Resources. - 1997. - № 4.
3. Sabmons, W. Metals in the Hygrocycle / W. Sabmons, U. Forstner. - Berlin, Springer-Verlag, 1984.
4. Karnaukhova, G.A. Balance of heavy metals in the Angara cascade reservoirs. Fundamental problems of learning and use of water and water resources. Proceedings of the conference. - Irkutsk: Institute of Geography SB RAS, 2005.
5. Vasiliev, O.F. Ecological condition of the Novosibirsk reservoir / O.F. Vasiliev, V.M. Savkin, S.Ya. Dvurechenskaya // Siberian Journal of Ecology. - 2000. - № 2.
6. Guidance on sampling of water flows. - M., 1998. - ISO 5667-6.
7. Nature Conservancy. Hydrosphere. General requirements for sampling surface and sea water, ice and precipitation. - Intr. 07.01.1986. - M., 2002. - SS 17.1.5.05-85.
8. Quantitative chemical analysis of water. - M., 1998. - PND F 14.1:2:4.139-98.
9. Quantitative chemical analysis of water. - M., 1998. - PND F 14.1:2:4.140-98.
10. Forstner, U. Non-linear release of metal from aquatic sediments. Biogeodynamics of pollutants in solids and sediments / U. Forstner, W. Salomons, W.M. Stigliani. - Berlin, Springer-Verlag, 1995.
11. Linnik, P.N. Humic substances as an important factor in the migration of metals in the sediment - water systems / P.N. Linnik, A.V. Zubko // Environmental Chemistry. - 2007. - № 16 (2).
12. Tretyakova, E.I. Features of the distribution of heavy metals in components of water of varying salinity / E.I. Tretyakova, T.S. Papina // Chemistry for Sustainable Development. - 2000. - № 8.
Статья поступила в редакцию 01.04.11
