CC BY
64
УДК 581.5 :550.47
Вестник СПбГУ. Сер. 7,2007, вып. 1
М. Г. Опекунова, Е. Ю. Елсукова, В. А. Чекушин, О. В. Томилина, Р. Сатинен\ К. Рейманн2, Ю. Б. Анцибор
МОНИТОРИНГ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В ЗОНЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ КОМБИНАТА «СЕВЕРОНИКЕЛЬ» С ПОМОЩЬЮ МЕТОДОВ БИОИНДИКАЦИИ
Комбинат «Североникель» (г. Мончегорск) с 1937 г. является основным источником поступления в окружающую среду Кольского полуострова диоксида серы, оксида углерода, окислов азота, углеводородов, тяжелых металлов (ТМ) и т. д. В 1969 г. объем выбросов двуокиси серы в атмосферу достиг 250-280 тыс. т, что вызвало интенсивное образование кислотных дождей и деградацию лесных экосистем в окрестностях комбината. К середине 1980-х годов его воздействие прослеживалось уже на расстоянии до 100 км и более. В середине 1990-х годов внедрение в производство новых технологий (в том числе закрытие цеха обогащения, снижение объемов переработки высокосернистой норильской руды, а также открытие цеха по производству серной кислоты) привело к уменьшению количества выбросов токсичных веществ в атмосферу. Так, в 1999 г. количество выбросов диоксида серы снизилось до 46 тыс. т, а твердых веществ - до 6,0; в 2003 г. эти показатели составили соответственно 41,6 и 4,3 тыс. т [1,2].
В 2001-2002 гг. сотрудниками кафедры геоэкологии и природопользования факультета географии и геоэкологии СПбГУ были проведены экологические исследования в зоне воздействия комбината «Североникель». В соответствии с розой ветров были рассмотрены природно-территориальные комплексы (ПТК), находящиеся южнее и севернее источника загрязнения. Задачи работы - изучение состояния почв и растительности для оценки скорости восстановительных процессов и самоочищения компонентов ландшафтов.
Детальная характеристика физико-географических условий района, источника загрязнения и сравнительная оценка содержания ТМ в почвах даны в публикациях [3-6]. В 2001 г. изучено 97 эталонных площадей (ЭП) на 4 участках к югу от комбината в соответствии со схемой изысканий проекта «Экогеохимия Баренцевого региона», проведенных в 1994 и 1999 гг. Три из них представляют собой водосборы ручьев, впадающих в оз. Имандра: водосбор 2 расположен восточнее трассы Мурманск-Кандалакша возле пос. Верхний Нюд на расстоянии 6-7 км от комбината; водосбор 6 находится в 10—12 км от комбината; водосбор 4 удален от источника загрязнения на 2123 км. Четвертый участок на юго-восточном берегу Чунозера выбран в качестве условно фоновой территории (4045 км от комбината). В 2002 г. исследованы городские кварталы и ПТК на расстоянии до 18 км к северу от комбината «Североникель» в сторону г. Оленегорска (72 ЭП). На каждой ЭП размером 20x25 м (в соответствии с ГОСТом 17.4.3.01-83) дана детальная физико-географическая характеристика; описание древостоя: состав, сомкнутость, минимальная, максимальная и средняя высота, средний диаметр стволов, % сухостоя; возраст и класс хлороза хвои, высота отторгнутой корки сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.); описание подроста: состав, сомкнутость, высота; описание травяно-кустарничкового яруса: общее проективное покрытие, состав, проективное покрытие и высота отдельных видов, обилие по Друде; наличие мохово-лишайникового яруса, состав, проективное покрытие. В качестве индикаторных видов выбраны брусника (Vaccinium vitis-idaea L.), черника (Vaccinium myrtillus L.), багульник болотный (Ledum palustre L.), голубика (Vaccinium uliginosum L.), вороника (Empetrum nigrum L.), корка и хвоя сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), грибы подосиновики (Leccinum auranticum) и подберезовики (Leccinum scabrum). На участках северного направления отобрано 185 проб почв и 197 проб растений. Анализ содержания Cu, Zn, Fe, Mn, Pb, Cd, Ni, Co в растениях осуществлен методом атомно-абсорбционной спектроскопии в Ботаническом институте РАН на приборе КВАНТ-АФА. В программу работ входило определение морфометрических параметров хвои сосны обыкновенной. С этой целью на 36 ЭП измерена длина 100 хвоинок, а также зафиксированы их возраст и состояние.
Аэротехногенное загрязнение и выпадение кислотных дождей приводят к увеличению содержания сульфатов и снижению величины pH хвои сосны. На расстоянии 10-12 км к
1 Геологическая служба Финляндии.
2 Геологическая служба Норвегии.
© М. Г. Опекунова, Е. Ю. Елсукова, В. А. Чекушин, О. В. Томилина, Р. Салминен, К. Рейманн, Ю. Б. Анцибор, 2007
югу от комбината концентрация ионов БО/" достигает 1570 мг/кг, а на условно фоновой территории (40-50 км к югу от источника загрязнения) -1415 мг/кг. При этом показатель рН хвои увеличивается с 3,0 до 3,7:
РН
Содержание сульфатов, мг/кг
Водосбор № б3 Фоновый участок3
3,3 3,0
3,0-3,7 3,0-3,7
1570 1415
0,5-3906 0,5-3313
Учитывая значительное снижение в последние годы объемов выбросов диоксида серы комбинатом «Североникель», можно предположить, что небольшое содержание сульфатов в хвое сосны связано с активным поглощением серы как биофильного элемента. Поэтому лесная подстилка, которая состоит в основном из хвойного опада, также не содержит высоких концентраций серы.
Показателем выпадения кислотных дождей служит рН корки сосны обыкновенной. Средняя кислотность корки в черте города (3,63) незначительно отличается от кислотности корки сосен, произрастающих на прилегающих к нему территориях (3,56).
Изученные виды растений характеризуются относительно постоянной зольностью (табл. 1). По интенсивности накопления минеральных элементов можно составить следующий ряд: грибы > черника > брусника > сосна обыкновенная. Зольность растений в городе выше, чем за его пределами. Наименьшей зольностью обладает хвоя сосны обыкновенной -1,86%. Это значение ниже фонового, приводимого М. Л. Раменской [7] - 2,31%. Зольность брусники и черники не выше, чем в пределах фоновых территорий (Восток, Ловноозеро), и ниже в целом по Норильскому региону [8]. Сравнительный анализ изменения зольности растений по элементарным ландшафтам показал, что в корке сосны и в бруснике наблюдается тенденция к уменьшению зольности от низин, равнинных участков к вершинам, что может быть обусловлено латеральной миграцией химических элементов, их аккумуляцией в пониженных участках рельефа и интенсивным вовлечением загрязняющих веществ в биологический круговорот.
Таблица 1. Содержание ТМ в сосудистых растениях (в мг/кг сухого вещества)
Участок и расстояние от Мончегорска (год обследования) Растение п Зольность, % Fe Zn Mn Pb Ni Cu Со
г. Мончегорск (2002) Черника 12 2,89 27 8 40 1,64 30 23 1,0
2,37-3,72 6-55 2-13 26-63 0,4-8,94 17-41 13-33 0,1-2,1
Брусника 14 2,22 31 15 27 0,23 34 13 1,6
1,99-2.51 12-60 10-24 21-38 0,05-0,7 22-66 9-22 0,6-3,2
Хвоя сосны 1 1,9 25- H 32 0,95 43 28 0,2
Корка сосны 19 3,10 56,5 13,9 31,7 5,2 46 193 2,8
Восток и юго-восток от комбината: г. Нюдоайвенч, телевизионная вершина 2-5 км (2002) Черника 6 2,44 6 8 29 0,31 29 20 0,5
2,19-2,69 1-17 7-9 li-46 0,05-0,86 24-42 10-33 0,2-1,1
3 В числителе указано среднее значение, в знаменателе -
минимальное-максимальное (то же для табл. 1 и 3).
Окончание табл. 1
Участок и расстояние от Мончегорска (год обследования) Растение п Зольность, % Ре Ъп Мп РЬ № Си Со
Хвоя 1,81 13 12 32 0,18 14 13 1,07
сосны 4 1,49-2,07 8-23 7-17 25-37 0,05-0,55 9-20 11-14 0,72-1,55
Корка сосны 4 1,78 31 20 30 5,0 51 307 1,8
6 км на север: озера Верхнее Молевое и Кутыр (2002) Черника Брусника 5 1 2,32 19 9 28 0,25 62 28 2
2,12-2,52 1,76 6-42 23 6-12 8 17-38 19 0,05-0,59 0,41 25-123 62 10-65 19 1-3,5 3,2
1,75-1,76 23-23 8-9 18-19 0,41-0,41 57-67 18-21 1,2-5,2
Хвоя 1,67 17 8 30 0,94 28 26 1,9
сосны 2 1,58-1,76 12-22 5-10 29-30 0,05-1,82 20-37 24-27 1,8-1,9
Корка сосны 2 1,76 83 5 5 5,69 72 487 2,5
6-7 км на юг: водосбор 2(2001) Брусника 2 2,5 10 7 42 <0,1 46 41 1,7
2,37-2,63 8-12 6-7 26-59 45-46 26-55 1,5-1,9
10 км на север (2002) Черника 6 2,43 6 8 38 0,27 28 17 0,8
1,32-3 0,3-21 3-13 23-61 0,05-0,45 17-61 9-28 0,3-1,4
Брусника 1,95 16 14 56 0,44 46 18 0,5
1,65-2,42 1-28 8-19 17-84 0,05-1,64 22-92 11-32 0,1-1,5
Хвоя
сосны 1 2,03 39 9 26 1,62 48 37 2,9
Корка сосны 4 1,20 52,4 7,4 36.9 8,5 96,6 516 5,0
10-12 км на юг: Брусника 10 2,61 10 8 57 п 40 40 1,45
водосбор 6 (2001) 2,06-3,21 4-19 5-15 20-98 1,5-2 19-83 15-67 0,5-3,5
Корка 18 1,41 119 10 12 12 116 805 7,3
сосны 0,92-3,02 66-239 5-14 4-26 3,9-27 54-197 301-1748 1,8-57,1
14-18 км на север, Черника 2,84 32 12 41 0,64 25 18. 0,4
гора Лысая (2002) 2,33-3,24 18-53 8-17 38-45 0,05-1,15 14-32 16-21 0,1-0,7
Брусника •> 2,17 12 15 44 1,34 66 30 <0,2
2,04-2,29 7-17 11-18 34-53 1,06-1,62 49-83 21-39
Хвоя 1,98 37 6 34 <0,1 12 11 1
сосны 3 1,55-2,43 13-77 5-6 23-39 8-19 10-16 0,7-1,4
Корка сосны 7 1,99 90,9 8,7 10,8 6,0 44,4 280 2,3
21-23 км на юг: Брусника 9 2,67 3 13 91 1,7 12 12 0,69
водосбор 4 (2001) 2,03-3,39 1-5 7-23 40-144 1,55-1,97 7-21 6-26 0,6-0,8
Корка сосны 1 0.62 24 2 36 3,6 35 424 2
40-45 км на юг Брусника Корка § 2,77 2 15 108 <0,1 2,9 6 5 <0,2 1,3
(условно фоновый участок) (2001) 16 1,81-3,42 0,8 0,1-4 28 10-18 1] 38-235 16 3-10 35 4-8 132
сосны 0,39-1,52 8-62 6-18 5-66 1,1-8,1 14-64 35-421 0,7-2,1
Кларк по Р. Бруксу 140 50 100 10 1 20 0,5
Кларк по В. В. Добровольскому _ 30 205 1,25 2 8 0,5
Таблица 2. Содержание ТМ в ягодах и грибах
Участок и расстояние от Мончегорска (год обследования) Объект изучения п Ре гп Мп РЬ N1 Си Со Сё
Город (2002) Подосиновики 3 41 555 5 4,09 41 266 0,39 4,33
Подберезовики 3 37 701 6 6,19 28 171 0,35 6,47
Восток и юго-восгок от комбината: г. Нюдоайвенч, Подосиновики 3 49 669 14 5,86 47 372 1,1 10,87
телевизионная вершина 2-5 км (2002) Подберезовики 2 71 245 6 3,90 34 96 0,1 3,00
6 км на север: озера Верхнее Молевое и Кутыр (2002) Подберезовики 1 8 543 5 0,05 73 259 2,0 8,85
6-7 км на юг. водосбор 2 (2001) Моховики 1 7 54 11 81 0,1 0,9 0,23 1,7 4 32 8 59 <0,2 <0,2 0,05 0,37
Морошка 1 2 10 3 21 1 7 <0,1 <0,1 8 48 4 22 0,2 1,5 0,03 0,21
10 км на север (2002) Подосиновики 74 312 9 3,1 83 374 0,1 4,42
10-12 км на юг; водосбор 6 (2001) Моховики 1 30 101 36 122 0,3 1 0,5 1,8 8 26 16 53 <0,2 <0,2 0,13 0,44
Подосиновики 1 22 97 14 62 0,6 3 0,34 1,5 5 24 18 82 0,2 0,8 0,11 0,49
Морошка 1 1 6 2 13 2 16 <0,1 <0,1 9 58 3 18 0,1 0,6 0,08 0,55
Черника 1 0,4 3 0,5 4 3 21 <0,1 <0,1 1 8 1 6 <0,2 <0,2 <0,02 <0,02
14-18 км на север, гора Лысая (2002) Подосиновики 2 257 342 4 3,44 43 253 2,2 3,84
21-23 км на юг: водосбор 4 (2001) Подосиновики 2 3 12 8 36 0,7 3 0,17 0,68 2 10 10 45 <0,2 <0,2 0,09 0,39
Черника 2 1 8 1 5 2 19 <0,1 <0,1 1 7 1 8 <0,2 <0,2 <0,02 <0,02
40-45 км на юг (условно фоновый участок) (2001) Черника 2 1 8 I 4 25 <0,1 <0,1 0,4 3 1 4 <0,2 <0,2 <0,02 <0,02
Кларк по Р. Бруксу (1986) ( - 140 50 100 10 1 20 0,5 0,005
Кларк по В. В. Добровольскому (1998) - - - 30 205 1,25 2 8 0,5 0,035
ПДК (грибы/ягоды) - - - 20/10 - 0,5/0,4 - 10/5 - 0,1/0,03
Примечание. В числителе - в мг/кг сырого вещества, в знаменателе - в мг/кг сухого вещества.
г
Как показали проведенные исследования, содержание ТМ в растениях определяется как их систематическим положением, так и химизмом окружающей среды. В целом все изученные виды характеризуются высоким содержанием металлов, типоморфных для сульфидного медно-никелевого оруденения. Растения, произрастающие на условно фоновой территории, отличаются значительными концентрациями Си, N1 и Со. В пробах ягод и грибов к югу от комбината «Североникель» (исследования 2001 г.) кларк по В. В. Добровольскому [9] превышен по N1 в 2-26 раз, по Си - в 2-7 раз и по Ъъ - в 3 раза [7] (табл. 2). Содержание Ёе, Мп и РЬ в 1,5-2 раза ниже кларка.
Максимальное накопление ТМ отмечено в грибах. Так, например, по данным исследований, проведенных в 2002 г., концентрация Ре, Ъп, РЬ и Си в подосиновиках и подберезовиках соответственно в 2-6, 50, 6 и 12 раз больше, чем в исследованных сосудистых растениях. Концентрация Ъъ достигает 776 мг/кг, № - 110 мг/кг, Си - 498 мг/кг, Сс! - 21,9 мг/кг. При этом уровни содержания 2п, РЬ, Си и Сё в грибах превышают их предельно допустимые значения (ПДК) соответственно в 25, 13, 26 и 60 раз (см. табл. 2). Это обнаружено как на городских участках, так и на расстоянии до 15 км к северу от комбината. По интенсивности аккумуляции N1 и Со высшие растения и грибы относительно близки. Грибы накапливают Мп в 5,5 раз меньше, чем высшие растения. Относительно низкая вариабельность концентраций (42%), N1 (51%), РЬ (41%), Си (50%) и Со (50%) указывает на общий высокий уровень загрязнения окружающей среды этими ТМ. Гетерогенность выборок отмечается по содержанию Ре (134%) и Сс! (83%), что свидетельствует о неоднородности условий местообитания и обусловлено воздействием Оленегорского горно-обогатительного комбината (ОАО «Олкон»), осуществляющего добычу и переработку руды месторождений железистых кварцитов, расположенных к северу от Мончегорска.
Изученные растения травяно-кустарничкового яруса, хвоя и корка сосны обыкновенной существенно различаются по интенсивности аккумуляции ТМ.
Согласно литературным данным, содержание № в травах фоновых ПТК суши составляет от 0,1 до 1,7 мг/кг, при техногенном загрязнении оно может увеличиваться до 100 мг/кг и более [10, 11]. Среднее содержание № в растениях условно фоновой территории на Кольском полуострове составляет от 6 мг/кг сухого вещества в надземной массе брусники до 35 мг/кг в корке сосны. Низкие значения коэффициентов вариации (от 38% в выборке брусники до 46% в выборке корки сосны) свидетельствуют об относительно однородном распределении этого элемента в растениях на условно фоновой территории. По данным В. Т. Ярмишко [12], среднее количество N1 в корке сосны, соответствующее фоновым территориям, составляет 9 мг/кг сухого вещества, что в 4 раза меньше по сравнению с полученными нами результатами. Таким образом, территория, расположенная в 40 км к югу от комбината «Североникель» и принятая за условно фоновую, на протяжении длительного периода испытывала значительное антропогенное загрязнение и не соответствует в настоящее время статусу фоновых ПТК. Это подтверждается результатами визуального обследования территории - изученные фитоценозы отличаются отсутствием напочвенного мо-хово-лишайникового покрова, разреженностью крон деревьев, снижением видового разнообразия травяно-кустарничкового яруса, уменьшением возраста хвои сосны и т. п.
По мере приближения к комбинату «Североникель» и г. Мончегорску содержание № в растениях существенно увеличивается. Средняя концентрация его в изученных видах сосудистых растений г. Мончегорска и прилегающих территорий изменяется от 20 мг/кг в хвое сосны обыкновенной до 51 мг/кг в бруснике (см. табл. 1). Минимальное значение составляет 8 мг/кг (хвоя сосны), максимальное - 123 мг/кг (черника), что в 60 раз превышает кларк по В. В. Добровольскому [9]. К северу от г. Мончегорска максимальное содержание № отмечается на расстоянии 10 км от источника загрязнения и составляет в корке сосны 96,6 мг/кг. В южном направлении шлейф загрязнения № выражен в большей степени - максимум наблюдается на водосборе № 6 в 12 км от комбината. На склоне холма, обращенного к источнику загрязнения, уровень накопления N4 в корке сосны достигает 197 мг/кг. При этом минимальное содержание его в корке сосны на этом участке составляет 54 мг/кг, что в 6-9 раз превышает региональные фоновые значения. Средняя концентрация N1 в бруснике равна 40 мг/кг сухой массы, что почти в 2,5 раза меньше, чем в корке сосны. В хвое сосны, произрастающей на территории города, концентрация данного элемента выше, чем на эталонных площадках (см. табл. I).
Среднее содержание N1 в изученных растениях на нарушенных территориях, установленное в результате проведенных исследований, сопоставимо с данными, приводимыми в литературе в конце 1980-х годов [13, 14]. Таким образом, концентрация N1 в растениях исследованного региона за истекшие 15-20 лет понизилась незначительно. Слабая самоочищающая способность северотаежных ПТК обусловлена низкой интенсивностью биологического
круговорота, высокими концентрациями ТМ в биомассе и многократным вовлечением поллютантов в биологический круговорот при разложении органических остатков, обогащенных ТМ.
Концентрация Си - одного из приоритетных поллютантов в изученном районе - в растениях в пределах условно фоновой территории варьирует от 4 до 421 мг/кг сухого вещества. Среднее ее содержание в корке сосны составляет 132 мг/кг, что более чем в 16 раз превышает кларк по В. В. Добровольскому (8 мг/кг). В бруснике оно существенно ниже (5 мг/кг).
В зоне воздействия комбината «Североникель» максимальная концентрация Си в корке сосны, так же как и Ni, наблюдается на водосборе 6. Средняя величина содержания этого элемента составляет здесь 805 мг/кг. На подветренном северном склоне моренного холма она достигает 1748 мг/кг. Это согласуется с данными В. В. Никонова и Н. В. Лукиной [15], отмечающих наибольшее накопление Си на расстоянии 10 км к югу от города (1151 мг/кг). Максимальное содержание Си в бруснике также наблюдается на водосборе 6 и составляет 67 мг/кг. Высокий уровень концентрации Си, равный ПДК, отмечен в грибах и ягодах черники, в морошке она не превышает ПДК.
Интенсивность аккумуляции Си в растениях на пробных площадях, расположенных к северу от комбината, в несколько раз меньше. Среднее содержание Си в корке сосны на площадях составляет 287,3 мг/кг. В условиях расчлененного рельефа и промывного режима Си интенсивно мигрирует по профилю, накапливаясь в пониженных участках рельефа.
Растения изученного района Кольского полуострова характеризуются относительно низкими содержаниями Fe. Минимальное его количество отмечается в бруснике (от 0,1 мг/кг), максимальное - в корке сосны (до 239 мг/кг). В чернике рост содержания Pb, Ni, Cu и Со сопровождается увеличением концентрации Fe. Высокие значения коэффициентов вариации содержания Fe в чернике к северу от города (105%) обусловлены гетерогенностью условий среды с возможным вкраплением железистых кварцитов в пределах потенциально рудоносной территории. Количество Fe в растениях к югу от комбината не превышает фоновое и значительно ниже опубликованных литературных данных по г. Мончегорску. Например, по В. В. Никонову [11] концентрация Fe в хвое составляет соответственно 138 мг/кг, по С. Рейману [15] - 48 мг/кг, что в 6 и 2 раза выше полученных нами значений.
Концентрация Мп в изученных высших растениях изменяется от 4 до 84 мг/кг и не превышает кларка по В. В. Добровольскому. Низкое его содержание отмечено в хвое сосны обыкновенной, наиболее высокое - в чернике. Коэффициент вариации концентрации Мп в растениях на территории города изменяется от 18 до 29%, за пределами города: от 19% (хвоя сосны) до 50% (брусника). Многие исследователи отмечают снижение количества Мп в растениях по мере приближения к источнику загрязнения [7, 11, 14, 16]. Полученные данные подтверждают эту закономерность и в районе г. Мончегорска (см. табл. 1). Уменьшение концентрации Мп в растениях наблюдается при повышении содержания других ТМ. В сосне обыкновенной отмечается обратная корреляционная зависимость содержания в хвое Мп и таких элементов как Ni, Cu и Со.
Средние концентрации Zn в бруснике, чернике и сосне обыкновенной не превышают кларковых и фоновых значений в растениях [11, 16]. Низкое его содержание в растениях, произрастающих в зоне воздействия медно-никелевого производства, могут быть обусловлены антагонизмом Zn с другими ТМ [10]. Полученные результаты хорошо согласуются с опубликованными данными. Изученные растения характеризуются низкой концентрацией Zn. Наименьшее его количество накапливает хвоя сосны обыкновенной (9 мг/кг), наибольшее - брусника (13 мг/кг). Среднее содержание его в чернике составляет 10 мг/кг, максимальное - 24 мг/кг - отмечено в бруснике. Коэффициент вариации изменяется от 28% для Zn в бруснике до 44% в чернике, что говорит об однородном распределении металла в растениях на исследованной территории.
К числу типоморфных элементов сульфидных медно-никелевых руд относится Со. Как показали результаты исследований, содержание его в растениях изменяется в пределах от 0,1 до 57,1 мг/кг. Наименьшее количество Со накапливает черника, наибольшее - корка сосны. Среднее содержание его в бруснике составляет 0,8 мг/кг, что в 4 раза превышает кларк и в 5^t0 раз - фоновые значения. Сравнение полученных данных с опубликованным материалом показывает, что концентрация Со в хвое сосны в 3 раза выше данных по г. Мончегорску, приводимых М. Л. Раменской [7], и в 15 раз больше данных С. Реймана [16]. Среднее содержание Со в чернике и бруснике близко к опубликованным данным по Кольскому полуострову [7,16]. Коэффициент вариации значений достаточно высок: в городе он составляет 48-54%, за его пределами - до 96%.
Среднее содержание Cd в растениях исследованного района изменяется от 0,01 мг/кг в бруснике до 0,10 мг/кг в хвое сосны обыкновенной. Фон по Баренцевому региону составляет 0,072 мг/кг в хвое сосны обыкновенной, 0,006 мг/кг в чернике, 0,008 мг/кг в бруснике [16]. Максимальное количество Cd, обнаруженное в хвое сосны, достигает 0,2 мг/кг, что в 39 раз выше кларка и в 2-3 раза меньше фоновых значений [7, 14]. Концентрация Cd для растений в районе г. Мончегорска, по С. Рейману [16], равна соответственно в хвое сосны 0,083 мг/кг, в чернике -0,04 мг/кг и в бруснике - 0,06 мг/кг. Таким образом, эти показатели свидетельствуют о превышении полученных нами значений для хвои сосны обыкновенной и черники. Среднее количество Cd в бруснике ниже данных С. Реймана в 12 раз. Коэффициент вариации содержания Cd в растениях в Мончегорске составляет 28-44% и достигает 164% за его пределами. Большая вариабельность данных обусловлена тем, что вне антропогенного воздействия концентрация данного элемента в растениях ниже чувствительности прибора. В то же время загрязнение природной среды приводит к резкому увеличению его количества в растениях. На водосборах вблизи комбината и вдоль трассы Санкт-Петербург-Мурманск концентрация Cd в грибах достигает 45-108 ПДК, в морошке - 3 ПДК.
Содержание РЬ в растениях исследованного района изменяется в пределах от 0,05 до 8,9 мг/кг. Наибольшее его количество содержится в корке сосны обыкновенной на удалении 10 км к северу от города и составляет в среднем 8,5 мг/кг, что превышает кларк в 7 раз. Наименьшей способностью накапливать РЬ обладает брусника - средняя концентрация составляет 0,60 мг/кг.
В целом анализ пространственного распределения ТМ в биомассе растений показал, что максимальные значения Си и N1 отмечаются на расстоянии 6-10 км от комбината, что соответствует характеру выпадения поллютантов и загрязнению почв. Содержание этих ТМ в чернике, бруснике и хвое сосны в 5-8 - 30-60 раз выше кларка по В. В. Добровольскому [9]. Концентрации Си и № в бруснике и чернике на территории Мончегорска также превышают кларк в 2,5-3,5 и 15-20 раз [4] (см. табл. 1). Значительное содержание Си, N1 и Со по сравнению с кларком и ПДК в растениях отмечено в наиболее открытых местообитаниях и согласуется с розой ветров, что указывает на преимущественно аэротехногенное поступление этих элементов. По мере приближения к Оленегорскому горно-обогатительному комбинату в растениях увеличивается количество Ре - основного элемента железистых кварцитов, добываемых в этом районе.
Накопление ТМ в изученных растениях во многом определяется особенностями латерального перераспределения в условиях пересеченного рельефа. Гумидный климат и кислая реакция среды способствуют повышенной миграции ТМ в пределах элементарного геохимического ландшафта. Таким образом, в фоновых условиях растения, произрастающие в подчиненных фациях, отличаются более высоким содержанием большинства ТМ, чем виды автономных местообитаний. Антропогенное загрязнение приводит к изменению указанных закономерностей. Отмечается накопление поллютантов в растениях подветренных склонов и вершин моренных холмов.
Анализ содержания ТМ в хвое сосны обыкновенной показал, что для Хп и Мп оно минимально в растениях, произрастающих на вершинах, а максимально - в низинах. При аэротехногенном загрязнении N1, Си, Со и Сс1 накапливаются в растениях вершин, а меньше всего их в понижениях рельефа. Наибольшая концентрация Ре обнаружена на склонах.
В поглощении ТМ кустарничками существенную роль играет экранирующее влияние древесного яруса. Более или менее сомкнутый верхний ярус фитоценозов в той или иной степени препятствует проникновению поллютантов аэротехногенного происхождения. Поэтому однотипной закономерности в накоплении ТМ видами травяно-кустарничкового яруса в зависимости от элементов рельефа не наблюдается. В чернике максимальное^ содержание Ре "и Ъп наблюдается на склонах. В понижениях в чернике накапливается больше N1, Си, Со, чем на вершинах, наименьшие концентрации их в растениях - на склонах. Минимальное количество Сё в чернике зафиксировано на склонах, максимальное - на вершинах. Концентрация Мп в чернике увеличивается от вершины к низине, а РЬ - наоборот.
Количества Zn и Мп в бруснике уменьшаются с высотой, а Си, наоборот, увеличивается. Концентрация РЬ и Сё на вершине и склоне примерно одинакова и достигает минимума РЬ и максимума Сс1 в понижениях рельефа. Таким образом, распределение ТМ по профилю более или менее закономерно проявляется только для сосны обыкновенной.
Накопление поллютантов в биомассе приводит к изменению морфологических характеристик и продолжительности жизни хвои. На участках, расположенных в 10-12 км от комбината, и в городе степень поражения хлорозом хвои сосны достигает 2-3 баллов (пожелтение кончиков и точечные повреждения по всей хвоинке). Возраст хвои при этом составляет 2-4 года (естественный возраст - 6-7 лет). На условно фоновой территории эти показатели равны соответственно 1-2 баллам и 4-5 годам. Анализ длины хвои показал достоверную разницу между средними значениями на загрязненном и условно фоновом участках (26,0 и 29,1 мм) (табл. 3).
На ЭП севернее комбината длина хвои сосны изменяется от 23 до 40,5 мм и составляет в среднем 29,6 мм (см. табл. 3). Однако в условиях сильнопересеченного рельефа антропо-
Таблица 3. Морфологические характеристики и возраст хвои сосны
Расстояние от комбината Возраст, лет Класс хлороза Длина хвои, мм
Сопки, прилегающие с востока
и юго-востока к комбинату (2-5 км) 1-3 1 28,5-34,5
6 км на север 2-3 1-3 29,1-32,1
2-3 26,2
10-12 км на юг 3,2
21,3-29,1
10 км на север 1-3, некротические пятна 24,3-40,5
14-18 км на север 1-2 23,0-33,2
40-45 км на юг 29,1
(условно фоновый участок) 4,2 1-2 26,0-34,3
генное воздействие на длину хвои сосны нивелируется естественными факторами дифференциации среды (микроклиматическими условиями, особенностями минерального питания, физико-химическими свойствами почв и т. д.). Поэтому четкой зависимости в изменении морфометрических параметров от антропогенного стресса установить не удалось. Корреляционный анализ зависимости возраста хвои от содержания в них ТМ показал, что с увеличением концентрации N1 и Си по мере приближения к комбинату происходит уменьшение продолжительности жизни хвои.
Таким образом, на исследованной территории отмечается превышение в растениях фоновых значений по N1, Си, Со, Сс1 и РЪ, что отражает особенности антропогенного загрязнения ПТК [5, 6]. Определенной спецификой накопления характеризуются Мп и Ре, их концентрация в растениях значительно ниже, чем на фоновых территориях. Уровень содержания ¿п в индикаторных видах растений находится в пределах регионального геохимического фона. Характер изменения концентрации ТМ в растениях по мере удаления от источника загрязнения и в зависимости от рельефа для каждого элемента, а также для каждого вида различен. Максимальное количество в растениях Си, N1 и Со и минимальное Мп наблюдается в 6-10 км от города, что согласуется с особенностями осаждения поллютантов на расстоянии, равном 40-50 высотам труб комбината. Анализ химического состава растений показал, что изученные высшие растения характеризуются превышением фоновых содержаний Си, Со в среднем в 4-20 раз. Концентрация Тп в растениях близка к фону, а Мп и Ре - значительно ниже. Грибы отличаются максимальным количеством почти всех металлов, кроме Мп. В хвое сосны обыкновенной четко прослеживается обратная зависимость в снижении интенсивности концентрации Мп при увеличении в ней Си, N1 и Со. В бруснике наблюдаются антагонизм аккумуляции РЬ и Ъп и положительная корреляция накопления Со и Си с N1. По мере приближения к Оленегорскому горно-обогатительному комбинату, где основным загрязняющим веществом является Ре, выявлено его накопление в растениях. Высокая подвижность ТМ в кислой среде и в легких по составу субстратах, эрозия почв и отсутствие верхних генетических горизонтов, в которых происходит аккумуляция опада, приводит к многократному вовлечению поллютантов в биологический круговорот, снижая скорость самоочищения ПТК.
Summary
Opekunova M. G„ Elsukova E. Yu„ Chekushin V. A., Tomilina О. V., Salminen R„ Reimann C., Anthsibor Yu. B. Monitoring environmental state change in the districts of industrial complex "Severonikel" impact with bioindication methods.
Complex ecological-biogeochemical investigation was performed in the districts of impact of metal works "Severonikel" and in Monchegorsk-city (Kola Peninsula). The peculiarity of chemical composition of plants and their pollution and changing of vegetation under antropogenic stress are considered. The contents of general forms S and Cu, Zn, Ni, Co, Fe, Mn, Cd, and Pb in plants are determined. The estimation of heavy metal pollution degree is made. The regularities of pollution' accumulation in wild plants (Pinus sylvestris L., Vaccinium myrtillus L., V. vitis-idaea L., V. uliginosum, Ledum palustre L., Betula nana L., Empetrum nigrum L., mushrooms Leccinum auranticum and L. scabrum) are studied. The comparative analysis of changes of plants chemical composition in natural and destroyed territories is conducted. The bioindication methods of environmental state estimation (taxation scales of necrosises and chlorosises, length of life and length of needles of pine) are used.
Литература
1. Состояние окружающей природной среды в Мурманской области в 2000 году: Доклад Комитета природных ресурсов по Мурманской области. Мурманск, 2000. 2. ОАО «Кольская горно-металлургическая компания»: Ежегодник. Мончегорск, 2003. №1.3. Опекунова М. Г., Елсукова Е. Ю., Сенькин О. В., Арестова И. Ю. Воздействие комбината «Североникель» (г. Мончегорск) на экологическое состояние почв и растительного покрова И Материалы обществ.-науч. конференции с международным участием «Северо-Западная Россия: проблемы экологии и социально-экономического развития». Псков, 2004. 4. Опекунова М. Г., Елсукова Е. Ю., Сенькин О. В., Арестова И. Ю. Оценка загрязнения Мончегорска методами биоиндикации // Материалы Междунар. науч.-практич. конференции «Экология фундаментальная и прикладная». Екатеринбург, 2005. 5. Опекунова М. Г., Елсукова Е. Ю„ Чекушин В. А. и др. Мониторинг изменения состояния окружающей среды в зоне воздействия комбината «Североникель». 1. Миграция и аккумуляция химических элементов в почвогрунтах г. Мончегорска // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 7: Геология, география. 2006. Вып. 2. 6. Опекунова М. Г., Елсукова Е. Ю„ Чекушин В. А. и др. Мониторинг изменения состояния окружающей среды в зоне воздействия комбината «Североникель». II. Миграция и аккумуляция химических элементов в почвах // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 7: Геология, география. 2006. Вып. 3. 7. Раменская М. Л. Микроэлементы в растениях Крайнего Севера. Л., 1974. 8. Опекунова М. Г., Садиков М. А., ДеменокЕ, А., Кучеров А. В. Микроэлементы в растениях Норильского плато//Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 7: Геология, география. 2000. Вып. 3. 9. Добровольский В. В. Основы биогеохимии. М., 1998. 10. Кабата-Пендиас А., ПендиасХ. Микроэлементы в почвах и растениях / Пер. с англ. Д. В. Гринчука и Е. П. Янина; Под ред. Ю. Е. Саета. М., 1989. И. Рассеянные элементы в бореальных лесах / Отв. ред. А. С. Исаев. М., 2004. 12. Ярмишко В. Т. Сосна обыкновенная и атмосферное загрязнение на Европейском севере. СПб., 1997.13. Баркан В. Ш.. Панкратова Р. П., Силина А. В. Накопление никеля и меди лесными ягодами и грибами, произрастающими в окрестностях комбината «Североникель» // Растительные ресурсы. 1990. Т. 26, вып. 4. 14. Влияние промышленного атмосферного загрязнения на сосновые леса Кольского полуострова / Под ред. Б. Н. Норина, В. Т. Ярмишко. Л., 1990. 15. Никонов В. В., Лукина Н. В. Биогеохимические циклы в лесах севера в условиях аэротехногенного загрязнения: В 2 ч. Апатиты, 1996.16. Reimann С., Ayras М., Chekushin V. et al. Environmental geochemical atlas of the central Barents region. Trond-heim, Grytting, 1998.
Статья принята к печати 28 сентября 2006 г.
