Размещено на http://www.allbest.ru/

1

На правах рукописи

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени доктора географических наук

Эвапотранспирационная миграция химических элементов в ландшафтах (на примере Урала)

Мельчаков Юрий Леонидович

Специальность 25.00.23. - Физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов

Москва - 2009

Работа выполнена на кафедре физической географии Уральского государственного педагогического университета.

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Алексеенко Владимир Алексеевич;

доктор биологических наук, профессор Ермаков Вадим Викторович;

доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник Карпова Елена Анатольевна.

Ведущая организация: Ботанический сад Уральского отделения РАН.

Защита состоится на заседании диссертационного совета Д 212.154.29 при Московском педагогическом государственном университете по адресу 129278, г. Москва, ул. Кибальчича, 16, ауд. 31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского педагогического государственного университета по адресу: 119435, г. Москва, ул. Малая Пироговская, д. 1.

Автореферат разослан: 2010 год.

Ученый секретарь диссертационного совета Роготень Н.Н.

Общая характеристика работы

Введение.

Актуальность темы. В начале 60-х гг. ХХ в. при решении ряда практических задач было обращено внимание не только на водную и биологическую миграцию, изучение которых имеет довольно длительную историю, но и на аэральную миграцию химических элементов. Импульсом послужила гонка вооружений, испытания ядерного оружия и взаимная разведывательная деятельность двух сверхдержав: в частности, забор проб воздуха в районах взрывов атомных бомб с последующим анализом. Важное значение имела и разработка геохимических методов поиска полезных ископаемых (атмобиогеохимический метод). С 70-х гг. ХХ в. новым импульсом к изучению стала тревога мировой общественности по поводу состояния окружающей среды, в том числе важнейшего ее компонента - атмосферного воздуха (Barringer, 1977; Davies, Wixson, 1985; Hanssen et al., 1980; Mouse, Fernandez, 1987; Nriagu, Pacyna, 1988; Page, Ganje, Joshi, 1971; Salmon et al., 1978; Steinnes et al., 1989 и др.).

В научных центрах разных стран было проведено детальное изучение фракционного состава воздуха нижней тропосферы (Миклишанский и др., 1978). Распределение, источники поступления химических элементов в атмосферу рассмотрены зарубежными учеными (Boutron, Martin, 1980; Nriagu, 1989; Pacyna, 1986).

Химия атмосферы стала одной из наиболее актуальных проблем естествознания (Заварзин, 2004).

Фундаментальные подходы к оценке аэральной миграции на глобальном уровне путем определения массопереноса химических элементов были разработаны В.В. Добровольским (1980, 1998), а на региональном уровне - Н.Ф. Глазовским (1985а, 1986).

В комплексе миграционных процессов атмосферный поток продуктов эвапотранспирации является одним из наименее изученных, не установлено его экологическое значение. В специальной литературе не показано соотношение эвапотранспирации с другой ветвью аэральной миграции: атмосферными выпадениями - в пределах какого-либо конкретного региона.

В изучении атмосферной миграции доминирует традиционный подход в геохимии: ученые оперируют с концентрациями элементов. Сравнительно небольшое число специалистов перешло на новый уровень исследований, предполагающий выяснение закономерностей миграции масс элементов, вовлекаемых в атмо- и биогеохимические циклы.

Постановка проблемы. Как известно, в современном представлении биосфера - термодинамически открытая, саморегулирующаяся глобальная система, в которой в неразрывной связи существуют инертное вещество в трех фазовых состояниях, разнообразные формы жизни и их метаболиты. Самоорганизация биосферы базируется на представлении о цикличности миграции вещества, которая поддерживает стационарное состояние системы. Цикличность - это не абстрактное движение атомов: каждый миграционный поток слагается из вполне конкретных миграционных форм химических элементов, которые вовлекаются в один миграционный поток, но не могут быть включены в другой поток. Один и тот же элемент ведет себя совершенно неодинаково в зависимости от того, входит ли он в фермент в живом организме, мигрирует в виде иона в речной воде, находится в сорбированном состоянии на поверхности частицы или внутри обломка минерала (Добровольский, 1983). Соответственно познание цикла возможно путем изучения тех форм химических элементов, которые вовлекаются в данный цикл. Эти идеи были высказаны еще в первой половине ХХ в. В.И. Вернадским (1927) и В.М. Гольдшмидтом (1938 а, б).

В.И. Вернадский (1940) ввел в науку понятие «живое вещество» и показал его исключительно важную роль в миграции химических элементов и термодинамике планеты в целом. Однако в структуре геохимической стороны жизнедеятельности организмов одна из форм миграции осталась вне детального рассмотрения - миграционный поток газовых форм химических элементов в системе «растительность - атмосфера».

Хорошо известно, что растения в процессе фотосинтеза непрерывно вовлекают в миграцию огромные массы углекислого газа, связывают его в органическое вещество и выделяют эквивалентные массы кислорода. Помимо этого химические элементы в процессе жизнедеятельности растений переходят в газовую форму нахождения. Экспериментально установлено, что терпены, продуцируемые лесными массивами, несут тяжелые металлы. Поэтому их содержание в воздухе над рудными телами повышается (Barringer, 1977).

Данное исследование посвящено проблеме особого вида миграции химических элементов: аэрального потока продуктов эвапотранспирации. Систематических исследований в этой области не проводилось, хотя и имеются первые результаты определения миграции элементов, обусловленной транспирацией (Немерюк, 1970; Curtin, King, Mosier, 1974; Ахмедсафин, Гребенюков, Иванов, 1978; Елпатьевский, 1993; Кудерина, 1999; Мельчаков и др., 2001г; Добровольский, Мельчаков, Учватов и др., 2003; Мельчаков, 2005 и др.).

Решение поставленной проблемы невозможно без параллельного изучения других видов миграции, в первую очередь - газовых форм элементов в системе «почва - атмосфера». Важность данного направления исследований обусловлена тем, что газовый состав атмосферы, в первую очередь ее реакционноспособных компонентов, зависит от функционирования микробной системы (Заварзин, 2004).

Общее почвенное дыхание представляет собой суммарный поток двух основных компонентов: дыхание корней и дыхание почвенной микрофлоры (Edwards et al., 1970). Предполагается, что корневое дыхание растений составляет примерно 1/3 от дыхания почвы (Заварзин, 2004).

Таковы исходные теоретические положения и подходы к решению проблемы оценки эвапотранспирационной деятельности растительности как особой формы миграции химических элементов.

Цель исследования - решение крупной научной проблемы в области географии, геохимии ландшафтов, биогеохимии, экологии и охраны окружающей среды: изучение аэрального потока продуктов эвапотранспирации и его роли в системе миграционных процессов, установление закономерностей этого явления на примере Урала и разработка методики исследования данного вида миграции химических элементов.

Выбор Урала в качестве объекта исследования обусловлен его субмеридиональным расположением, позволяющим провести сравнительно-географический анализ аэральной миграции элементов в нескольких природных зонах.

Задачи исследования:

1. Установить количественные параметры атмосферных выпадений элементов и их сезонный тренд в основных зональных типах ландшафтов Урала.

2. Изучить геохимический аспект эвапотранспирации в ландшафтах таежной и степной зон Урала.

3. Оценить относительный вклад лесных ярусов в общий эвапотранспирационный поток.

4. Установить роль эвапотранспирации в системе миграционных потоков химических элементов.

5. Разработать и апробировать приемы исследования аэрального потока продуктов эвапотранспирации.

Объект исследования и исходные материалы. В основу диссертации были положены результаты ландшафтно-геохимических исследований, проводившихся автором в 1980-2008 гг. в пределах Уральского региона и сопредельных равнин. Район полевых исследований вытянут с севера на юг согласно простиранию Уральских гор: от 61^о с. ш. (заповедник «Денежкин Камень» на севере Свердловской обл.) до 51^о с. ш. (г. Орск на юге Оренбургской обл.). Было отобрано 840 проб природных вод (из них осадков - 179, суммарных атмосферных выпадений - 430, поверхностных вод - 122, конденсатов эвапотранспирационных испарений - 56, смывов с растений -71) и 149 проб растений. Были организованы экспедиции для сбора материалов во все сезоны года и выполнены маршрутные наблюдения. Выводы исследования основываются на 21 630 элементоопределениях в пробах. Аналитическая обработка выполнена в лабораториях географического факультета МПГУ, биологического факультета МГУ, ИМГРЭ, а также в лаборатории физико-химических методов анализа Института химии твердого тела УрО РАН и в центре химико-аналитических испытаний «Эксорб» (г. Екатеринбург).

Научная новизна. Исследован малоизученный вид миграции - аэральный поток продуктов эвапотранспирации и установлена его роль в системе миграционных потоков химических элементов.

Установлены масштабы эвапотранспирационного потока.

Сделано заключение, что рассматриваемая миграция является важным компонентом биогеохимического цикла большинства встречающихся в природе элементов.

Выявлены сравнительно-географические особенности изученного вида миграции.

Определены количественные параметры суммарных атмосферных выпадений большинства элементов в фоновых ландшафтах Урала.

Получены новые данные о трансформации состава суммарных атмосферных выпадений элементов пологом древесных растений.

Проведено сопряженное изучение основных миграционных потоков элементов: атмосферных выпадений, трансформированных и нетрансформированных растительностью, опада, эвапотранспирации, выноса с речным стоком - в типичных ландшафтах Урала.

Выработаны практические рекомендации для природоохранных органов.

Личный вклад соискателя. В основу исследования была положена авторская методология и методика изучения аэрального потока продуктов эвапотранспирации. На протяжении 1980-2008 гг. соискатель руководил и принимал непосредственное участие в экспериментальных исследованиях: в сборе, подготовке и аналитической обработке проб природных объектов. Весь фактический материал был обработан автором лично.

Основные темы НИР: в Институте Гипроникель (г. Санкт-Петербург) «Изучение атмосферной миграции химических элементов и определение их содержаний в почвах в районе размещения комбината «Южуралникель» (1986-1989 гг., научный руководитель и ответственный исполнитель); в Институте экологии растений и животных УрО АН СССР (г. Екатеринбург) «Атмосферная миграция химических элементов в Серовском и Каменском районах Свердловской области» (1989-1991 гг., ответственный исполнитель); Институте промышленной экологии УрО АН СССР (г. Екатеринбург) «Состояние загрязнения атмосферного воздуха по результатам снегогеохимических исследований» (1989-1991 гг., ответственный исполнитель); в УрГПУ (г. Екатеринбург) «Атмосферная миграция химических элементов на Урале» (в сотрудничестве с Институтом химии твердого тела УрО РАН с 2000 г.).

Практическое значение работы. Результаты диссертационных исследований вошли в отчеты ряда научно-исследовательских институтов (Института экологии растений и животных УрО АН СССР, г. Екатеринбург, Института промышленной экологии УрО АН СССР, г. Екатеринбург, Института экспериментальной метеорологии, г. Обнинск Калужской обл., Института Гипроникель, г. Санкт-Петербург), а также приняты для использования в Главное управление федеральной службы по надзору в сфере природопользования (Росприроднадзора) по Уральскому федеральному округу.

Автор участвовал в выполнении координационного плана отделения биохимии, биофизики и химии физиологически активных соединений АН СССР научно-исследовательских работ по проблемам микроэлементов в биологии на 1986-1990 гг.

Отдельные разделы диссертации используются в авторских курсах лекций «Общее землеведение», «Геохимия ландшафта», «Методика геохимического мониторинга», «География региональных экологических проблем» на географо-биологическом факультете Уральского государственного педагогического университета, а также в курсах «Экология», «Концепции современного естествознания» в Университете Российской Академии Образования.

Результаты исследований отражены в учебном пособии для студентов педагогических университетов «Окружающая среда: контроль и рекомендации. Ч.1. Екатеринбург, 1999».

Апробация работы. Результаты работы опубликованы в 3 монографиях, учебном пособии, 40 статьях и 13 депонированных рукописях и тезисах докладов на конференциях.

Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на конференциях и совещаниях: на заседании комиссии геохимии ландшафта Московского филиала Географического общества СССР (Москва, 1983), на Ленинских чтениях МГПИ имени В.И. Ленина (Москва, 1983), Х Всесоюзной научной конференции «Микроэлементы в биологии и их применение в медицине и сельском хозяйстве» (Чебоксары, 1986), II Всесоюзной конференции «Тяжелые металлы в окружающей среде и охрана природы» (Москва, 1987), Совещании по проблемам биогеохимии в Институте геохимии и аналитической химии АН СССР (Москва, 1988), Республиканской научно-практической конференции «Экономическое воспитание в системе непрерывного образования» (Свердловск, 1991), Республиканском семинаре-совещании «Экологическое образование студентов педвузов в условиях заочной формы обучения» (Н. Новгород, 1993), Международной научной конференции «Проблемы охраны окружающей среды Уральского региона» (Екатеринбург, 1997), Региональной научно-практической конференции «Актуальные проблемы регионального географического, экологического и биологического образования» (Екатеринбург, 2000), Межрегиональной научной конференции «Россия в III тысячелетии: прогнозы культурного развития. Наука. Культура. Искусство. Власть. Государство» (Екатеринбург, 2001), Российско-германской конференции «Александр Гумбольдт и исследования Урала» (Екатеринбург, 2002), Межрегиональной научной конференции «Россия в III тысячелетии: прогнозы культурного развития. Качество жизни: итоги: наука, культура, образование, искусство, власть, производство» (Екатеринбург, 2002), на заседании комиссии геохимии ландшафта Московского филиала Русского Географического общества - Полыновских чтениях (Москва, 2004, 2006), на заседании кафедры геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета МГУ (Москва, 2006), Международной научной конференции «Геохимия биосферы» (Москва, 2006), четвертом Международном совещании «Геохимия биосферы» (Новороссийск, 2008), шестой Международной биогеохимической школы (Астрахань, 2008), пятом Международном совещании «Геохимия биосферы» (Новороссийск, 2009).

Кроме того, результаты были опубликованы в материалах конференций: четвертой Российской Школы «Геохимическая экология и биогеохимическое изучение таксонов биосферы» (Москва, 2003), International Scientific Quality of Air Protection 2008 (Belgrade, 2008), International Conference on Globalization and Environment (Belgrade, 2009), Всероссийской научно-практической конференции «География и современные проблемы естественно-научного познания», Международной научно-практической конференции «Экологическая геология: научно-практические, медицинские и экономико-правовые аспекты» (Воронеж, 2009).

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 399 наименований (в том числе 169 иностранных). Работа включает 295 страницы (вместе с приложением 338 страницы), содержит 72 рисунка и 68 таблиц.

Автор выражает глубокую признательность доктору географических наук, профессору, заслуженному деятелю науки РФ В.В. Добровольскому за многолетнюю всестороннюю помощь. Автор благодарен всем сотрудникам лаборатории геохимии ландшафта МГПИ, а также декану географо-биологического факультета УрГПУ профессору В.Г. Капустину и коллегам по кафедре за содействие в исследованиях. Автор признателен д.б.н. В.П. Учватову, д.х.н. В.П. Ремезу, д.х.н. Е.В. Полякову, с.н.с. В.Т. Сурикову, В.В. Соболеву, А.Е. Квашниной и К.А. Возьмителю за практическую помощь в работе. Автор благодарит зав. кафедрой геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета МГУ академика РАН Н.С. Касимова и его коллег профессора А.Н. Геннадиева и с.н.с. Е.М. Никифорову за ценные консультации.

Содержание работы

Глава 1. Геохимия аэрозолей и аэральный элементоперенос: глобальный и региональный аспекты.

В результате непрерывного циклического обмена между системами «суша - атмосфера» и «океан - атмосфера» аэрозоли поступают в воздух и удаляются из него вместе с атмосферными осадками и в форме сухих осаждений; при этом обе системы не существуют изолированно (Добровольский, 2003а). В среднем, интервал времени, в течение которого аэрозоли присутствуют в атмосфере, оценивается примерно в 5 суток (Warneck, 1988). Частицы размером 0,1-0,01 мм могут переноситься в нижних слоях тропосферы на сотни - первые тысячи километров, дальность переноса аэрозолей величиной 1-10 мкм достигает 10 тыс. км (Лисицин, 1978).

Химический состав аэрозолей даже в удаленных от промышленных центров районах суши может различаться на порядки величин. Так, концентрации (в нг/ м³) Al, Ca, Fe изменяются от единиц до сотен, Cl - от единиц до тысяч, K, Mg - от десятков до сотен, As, Cr, Se, Ti - от сотых долей до единиц, Br, Cd, Cu, Ni - от десятых долей до десятков, Pb, Zn - от десятых долей до сотен. Содержание большинства из перечисленных элементов над Северным Ледовитым океаном ниже в разы или на порядок, чем в сельских районах (Сunningham, Zoller, 1981; Davidson, Goold, Mathison et al., 1985; Matschullat et al., 2000; Pacyna, Ottar, 1985; Rojas, Figueroa, Janssens et al., 1990; Wake et al., 1994).

В приземных слоях атмосферы урбанизированных районов содержание многих главных и рассеянных элементов в разы или на порядок больше, чем приведенные для континентов значения (Lee et al., 1994).

Для оценки избирательной аккумуляции химических элементов в аэрозолях В.В. Добровольским (1980) предложен коэффициент аэрозольной концентрации:

К_а = А / К,

где А - содержание элемента в твердой фазе аэрозоля; К - кларк этого же элемента в гранитном слое континентальной земной коры. Выяснилось, что аэрозоли обогащены рядом металлов, прежде всего Cd (К_а > 100), Pb, Sn (50-100), Zn, Cu, Ni, Cr (10-50).

Установлено, что ряд присутствующих в тропосфере элементов (I, As, Hg, Zn, Cu, Pb) находятся в парогазовой форме, причем указанные элементы тесно связаны с мелкой фракцией аэрозолей (Benjamin, Honeyman, 1992).

Сложную проблему представляет установление источников парогазового потока тяжелых металлов и близких им элементов с переменной валентностью (Добровольский, 2003а). Один из них - деятельность бактерий, плесневых грибов и высших растений.

Несмотря на недостаточную изученность этих процессов, принципиальная схема вовлечения химических элементов в атмосферную миграцию в системах «почва - атмосфера» и «растительность - атмосфера» известна и показана в ряде работ (Баргальи, 2005; Башкин, Касимов, 2004; Заварзин, 2004; Исидоров, 1985; Квеситадзе, 2005; Bargagli, 1993; Bunce, 1994; Griffitts, Skilleter, 1991; Selenium …, 1994; Winfrey, Rudd, 1990).

Известны некоторые оценки фитогенного массопереноса (Artaxo, Storms, Bruynseels et al.,1988; Beaufort et al., 1975, 1977; Nriagu, 1989).

В целом анализ специальной литературы позволяет сделать следующие выводы: 1. В настоящее время нет достаточно полного представления по рассматриваемой проблеме, данные разных авторов могут различаться в разы и даже на порядок. 2. В комплексе атмосферной миграции эвапотранспирация является одной из наименее изученных, не показано ее соотношение с другой ветвью аэральной миграции: атмосферными выпадениями - в пределах какого-либо региона. 3. Некоторые из источников потока элементов в атмосферу характеризуются небольшими абсолютными величинами массопереноса. Однако с учетом правила суммирования малых геохимических доз в масштабе геологического и педологического времени последствия биогеохимического круговорота подвижных форм элементов становятся чрезвычайно существенными (Касимов, 2006).

Глава 2. Физико-географическая характеристика ключевых участков.

При планировании ключевых участков (рис. 1) были учтены методические приемы, применяемые при почвенных, гидрохимических, ландшафтно-геохимических, ландшафтных и других исследованиях.

Физико-географическая характеристика ключевых участков дается по компонентам: рельеф и геологическое строение, климат, воды, растительность, почвы. Дополнением к традиционной физико-географической характеристике являются геохимические следствия особенностей компонентов ландшафтов.

Глава 3. Методика полевых и камеральных исследований.

Автором разработаны методологические принципы изучения эвапотранспирационной миграции химических элементов и по единой методике выполнены исследования в ландшафтах Северного, Среднего и Южного Урала (рис. 1).

Для оценки элементопереноса из атмосферы на земную поверхность в холодный период года были отобраны пробы снежного покрова в конце зимнего периода.

При исследованиях на территории заповедника «Денежкин Камень» был использован ГИС района. Основа ГИС создана с помощью программного обеспечения Arc/Info, версия 7.1.1 и ERDAS, а также Imagination. 8.3. Топографическая основа масштаба 1:25 000. Работали в версии Arc Map. 9.0. На основе имеющихся картографических слоев информации (измерения высоты снежного покрова, карта лесоустройства и космоснимки) созданы карты распределения снежного покрова по территории заповедника. Первичная информация, полученная по данным ГИС заповедника «Денежкин Камень», предоставлена научными сотрудниками заповедника А. Е. Квашниной и К. А. Возьмителем.

В теплый период года были отобраны суммарные выпадения: твердые и жидкие. Для сбора проб использовались емкости, частично заполненные дистиллированной водой (Мельчаков, 1999). Во всех случаях выполнялась консервация проб путем подкисления (из расчета 3 мл HNO₃ на 1 л дистиллированной воды). Некоторые различия в методике определялись спецификой изученных ландшафтов.

В таежных ландшафтах исследовались поляны и подкроновые пространства под хвойными деревьями. Таким образом, были рассчитаны два параметра: атмосферные выпадения, трансформированные растительностью, и нетрансформированные растительностью. Согласно рекомендациям В. П. Учватова и Н. Ф. Глазовского (1982) осадкопылеуловители располагались в средней части подкронового пространства. Для обеспечения достоверности и определения вариабельности на каждой исследуемой площадке устанавливали 3-4 уловителя.

С целью изучения аэрального потока продуктов эвапотранспирации был поставлен эксперимент (Добровольский, Мельчаков, Учватов и др., 2003). При выборе камерного метода исследования автор опирался на установленный факт самостоятельной выработки растениями основных компонентов воздуха в изолированном пространстве (Буссенго, 1957). Ранее данный прием неоднократно применялся для анализа воздуха внутри камеры (Одум, 1975; Rasmussen, Went, 1965) и конденсатов на стенках камеры (Немерюк, 1970; Curtin et al., 1974).

Для оценки массопотоков от разных лесных ярусов были использованы два варианта методики.

Для исследования аэрального потока от древесного яруса на участке «Гора Пшеничная» (рис. 1) были выбраны типичные древесные растения: береза бородавчатая, лиственница Сукачева, сосна обыкновенная и ель сибирская. На участке «Массив Денежкин Камень» (рис. 1) - кедр сибирский, пихта сибирская, ель сибирская и береза бородавчатая. Исследовались ветки примерно одинакового размера, находящиеся на одной высоте над уровнем земли и имеющие разную ориентировку по сторонам горизонта. Кроме того, были учтены и другие требования к пробоотбору с целью биомониторинга (Методические…, 1987; Djingova, Kuleff, 1994; Ernst, 1990; Markert, 1993; Markert, Klausmeyer, 1990).

На ветви деревьев были надеты и плотно завязаны новые полиэтиленовые мешки - влагоуловители, предварительно промытые подкисленной дистиллированной водой (из расчета 3 мл HNO₃ на 1 л воды). По мере накопления влаги на стенках мешка она собиралась одноразовым шприцем. Затем были получены смешанные пробы конденсатов, собранные с 7-10 деревьев с учетом видовых различий в продуцировании выделений.

Объемы выделений изменялись в зависимости от погодных условий: в одном мешке собиралось за сутки от долей до единиц миллилитра. Отбор конденсатов производили в течение 4-6 дней (в начале эксперимента - в течение 35 дней) без длительных перерывов. Интервалы в сборе могли внести некоторую ошибку, завышая или занижая полученные результаты: концентрация ксилемного сока подвержена суточной цикличности (Крамер, Козловский, 1983). Кратковременные съемы уловителей были необходимы для забора конденсатов (2-4 раза в сутки), вероятно, в это время изолируемые части деревьев восстанавливали свое нормальное функционирование.

Во избежание попадания в мешок дождевой воды ветви деревьев приподнимались до горизонтального положения и фиксировались шпагатом.

Для оценки массопотока от поверхности почвы и травянистых растений в атмосферу был использован другой вид влагоуловителя: специально сконструированная полиэтиленовая палатка на двух стойках размером 2 Ч 2,5 м без днища. Забор проб осуществлялся в центральной части хорошо освещенных полян с ровной поверхностью, на которых доминировали вейник наземный, земляника лесная, герань лесная, чина весенняя (участок «Гора Пшеничная») и черника обыкновенная, грушанка круглолистная (участок «Массив Денежкин Камень»). В качестве пробоотборника конденсатов использовалась половинка полуторалитровой полиэтиленовой бутылки, разрезанной вдоль. Из нее отбор влаги осуществлялся одноразовым шприцем. Для исключения загрязнения конденсатов все компоненты влагоуловителя тщательно промывались подкисленной дистиллированной водой. Для сбора конденсатов надевалась обработанная полиэтиленовая накидка. В самой нижней части палатки сбор проб не осуществлялся.

Интервал пробоотбора определялся погодными условиями и необходимостью исключить потери влаги, стекающей на землю.

Аналогично сбору конденсатов с ветвей деревьев были получены смешанные пробы: влагоуловители устанавливались в трех местах.

Для изучения водной миграции производили отбор проб поверхностных вод во все сезоны года, в ряде случаев - по несколько раз за сезон.

Расчеты величин выноса водорастворимых форм элементов с речным стоком производились с использованием собственных материалов по элементному составу изученных рек (рис. 1) и данных по модулям стока (карты атласов Свердловской, Челябинской и Оренбургской областей).

С целью изучения биогенной миграции отбирали пробы типичных растений на исследуемых участках. Для получения средней пробы были взяты 7-12 экземпляров растений. Количество средних проб для каждого участка составляло 3 - 7.

Все традиционные полевые работы в диссертации описаны менее подробно.

Лабораторные работы.

На первом этапе исследований использовали традиционные методы анализа, на заключительном -ICP-MS метод, обеспечивающий одновременное определение большого количества элементов в широком диапазоне концентраций с низкими пределами обнаружения.

Обработка аналитических данных

В природных объектах определяли содержание до 72-х элементов: 9-ти главных (макроэлементов), и 63-х элементов с низкой концентрацией, или рассеянных в соответствии с подходом В.В. Добровольского (1983). Последние были разделены на рассеянные литофильные, халькофильные и сидерофильные элементы.

Результаты анализов обрабатывались методами математической статистики (Беус и др., 1976; Глотов и др., 1982; Лакин, 1990; Снытко, 1978 и др.). Рассчитывались средние арифметические, средние взвешенные, средние геометрические, выборочные дисперсии, средние квадратические отклонения, коэффициенты вариации, асимметрии, эксцесса и др. Часть массива данных обработана с помощью программы Microsoft Excel, версия Excel 97.



Рис. 1. Картосхема фактического материала

Глава 4. Аэральный поток в системе «тропосфера - растительность - почва».

В результате проведенных исследований установлены количественные закономерности аэрального переноса в системе «тропосфера - растительность - почва» в основных зональных типах ландшафтов Урала.

Получена количественная оценка атмосферного массопотока большинства химических элементов в фоновых горных ландшафтах Северного Урала (рис. 2-3). Определено, что перенос элементов в теплый сезон, как правило, на порядок выше значений холодного периода. Указанный тренд закономерен: зимой активность живого вещества значительно замедляется, соответственно ослабевает воздействие полога леса на атмосферные выпадения (Мельчаков и др., 2003; Мельчаков, Учватов, Квашнина и др., 2004) и уменьшаются масштабы аэрального потока продуктов эвапотранспирации (см. главу 5).

Получены новые данные о трансформирующем влиянии древесных растений на состав атмосферных выпадений: в холодное время года, в отличие от теплого, рассматриваемый эффект проявляется слабо. Такое наблюдение дополняет результаты исследований, выполненных в Центральной России, где зимой полог древесных растений усиливает в n раз миграционный поток «тропосфера - почва» (Учватов, 1995). Анализируемый эффект в теплый период года усиливается, хотя и не является абсолютным.

В пределах Южного Урала вне зон активного техногенеза установлен четко выраженный барьерный геохимический эффект. 1. Величины атмосферных выпадений выше в несколько раз или на порядок в среднегорьях по сравнению с предгорьями. 2. Аналогичное превышение атмосферных выпадений отмечено в западных предгорьях по сравнению с восточными. Отмеченные тенденции четче проявляются в группе главных элементов. 3. Установлен геохимический эффект «барьерной тени»: атмосферные выпадения на участке среднегорий, находящемся в «барьерной тени», ниже, чем на равнинах. Основная причина барьерного геохимического эффекта заключается в активизации атмосферных процессов над Уралом. Эта природная особенность региона определяет более интенсивное взаимодействие аэрозолей с облачными образованиями и атмосферными осадками и рост количества осадков, вымывающих аэрозоли (Мельчаков и др., 2002б).

Рис. 2. Массы главных элементов, мигрирующих в среднетаежных ландшафтах:

1 - водорастворимые формы атмосферных выпадений, трансформированных растительностью;

2 - валовые формы опада;

3- эвапотранспирационный поток водорастворимых форм;

4 - вынос с речным стоком водорастворимых форм



Рис. 3. Массы рассеянных элементов, мигрирующих в среднетаежных ландшафтах:

1 - водорастворимые формы атмосферных выпадений, трансформированных растительностью;

2 - валовые формы опада;

3- эвапотранспирационный поток водорастворимых форм;

4 - вынос с речным стоком водорастворимых форм

Определено, что величины выпадений большинства элементов выше (обычно в разы) в фоновых горных таежных ландшафтах Южного Урала по сравнению с аналогичными ландшафтами Северного Урала. Полученный результат закономерен, т.к. скорость биогеохимического круговорота в ландшафтах Южного Урала выше по сравнению с Северным Уралом и соответственно рассматриваемое звено цикла «работает» активнее. Такое заключение можно сделать на основе анализа влияния периода активных температур на скорости биогеохимических циклов в различных экосистемах (Башкин, Касимов, 2004) с учетом известной разницы в продолжительности периода активных температур в сравниваемых объектах: в южноуральском ландшафте данный период заметно длиннее. Техногенный фактор определил возрастание выпадений лишь 3-х элементов: Mg, S и Р.

Исследованы зональные и внутризональные особенности аэральной миграции элементов вне зон активного техногенеза. Установлены большие диапазоны атмосферных выпадений за зимний период в 8-ми провинциях 3-х областей Урала (в кг/км²): сумма солей - 46-1470, SO₄ - 23-466, Fe - 1,4-11,3, Cu - <0,39-6,6, Zn - 0,5-13,5.

Определено, что в таежной области Среднего Урала величины выпадений в низкогорьях выше, чем в западных предгорьях (соответственно Zn, взятого в качестве примера: 5,1 - 1,3 кг/км² за зимний период), а выпадения в восточных предгорьях превосходят параметры западных предгорий (соответственно Zn: 13,3 - 1,3 кг/км²). Констатировано возрастание аэротехногенной нагрузки на Среднем Урале с запада на восток.

Дополнительно в пределах провинций выделены районы с наибольшими и наименьшими величинами атмосферных выпадений. Например, в 3-х районах степной провинции Зауральского пенеплена величины выпадений Fe составляют 3,0; 3,6; 7,3 кг/км² за зимний период (Мельчаков, 2001г).

Глава 5. Аэральный поток продуктов эвапотранспирации в системе «почва - растительность - тропосфера».

Геохимия эвапотранспирации в таежной области.

Выполнено сравнение химического состава конденсатов эвапотранспирационных выделений горно-таежного и подгольцового поясов. Определено, что концентрации Na, Si, S, Ca и многих рассеянных элементов в конденсатах растений травяно-кустарничкового яруса горно-таежного пояса выше по сравнению с конденсатами подгольцового пояса (травяно-кустарничкового яруса и поверхности лишенной растительности) и конденсатами древесного яруса горно-таежного пояса.

Указанная разница двух поясов объясняется более высокой интенсивностью биогеохимических процессов в горно-таежном ландшафте. Кроме того, рассматриваемый горно-таежный ландшафт является в известной мере геохимически подчиненным.

Выполнена оценка масс элементов, вовлекаемых эвапотранспирацией в аэральный поток в фоновых таежных ландшафтах (табл. 1-2).

Таблица 1. Массы главных элементов, вовлекаемых эвапотранспирацией в аэральную миграцию в ландшафтах Урала, г / км² · год

Элемент	Диапазон значений массопотока и среднее арифметическое (в скобках)
	таежные ландшафты	степные ландшафты
Ca	100 000-2 500 000 (730 000)	21 000-33 000 (27 000)
S	350 000-550 000 (430 000)	170 000-430 000 (300 000)
Na	45 000-480 000 (200 000)	55 000-190 000 (120 000)
K	38 000-230 000 (130 000)	13 400-32 000 (23 000)
Fe	4 700-140 000 (54 000)	8 900-12 000 (10 400)
Mg	9 000-130 000 (45 000)	3 300-4 000 (3 700)
Si	24 000-56 000 (39 000)	8 800-23 000 (16 000)
Al	1 000-93 000 (29 000)	2 300-4 900 (3 600)
P	2 600-13 000 (5 800)	2 200-10 000 (6 100)

Таблица 2. Массы рассеянных элементов, вовлекаемых эвапотранспирацией в аэральную миграцию в ландшафтах Урала, г / км² · год

Элемент	Диапазон значений массопотока и среднее арифметическое (в скобках)
	таежные ландшафты	степные ландшафты
Mn	2 000-8 500 (6 300)	440-630 (540)
Zn	970-6 500 (3 600)	390-520 (450)
B	255-8 200 (2 700)	130-560 (340)
Cu	250-3 300 (1 900)	72-320 (200)
Pb	100-2 000 (810)	27-410 (220)
Ni	93-730 (330)	63-72 (68)
Se	10-400 (130)	23-110 (66)
Cd	0,61-90 (58)	0,72-4,5 (2,6)
As	3,8-130 (43)	0,1-6,3 (3,2)
Co	10-41 (22)	13,5-16,2 (15)
Hg	10-40 (20)	0,1-13 (6,6)

В таежных ландшафтах Урала ежегодно с 1 км² мобилизуется в атмосферу: Са, S, Na и K - 100 Ч n кг, Fе, Mg, Si и Al - 10 Ч n кг, P, Mn, B, Sr, Ba, Zn и Cu - n кг, Ti, Br, Cr, Pb, Se, Ni - 100 Ч n г, Li, Zr, Sc, V, Sb, Ag, Cd, Sn, As, Ga, Hg и Со - 10 Ч n г. Представители группы редких земель и некоторые другие элементы переносятся в очень небольшом количестве, измеряемом 0,1- 1 Ч n г/км² · год.

Рассматриваемая миграция является существенным компонентом биогеохимического цикла практически всех встречающихся в природе элементов.

Суммарно аэральный массопоток продуктов эвапотранспирации составляет 1,7 т / км2 ^. год. По нашим определениям, атмосферные выпадения, трансформированные растительностью, рассчитанные применительно к тому же количеству элементов, измеряются величиной 6,3 т / км2·год (рис. 2-3), нетрансформированные растительностью - 2,3 т / км2·год. Это свидетельствует о сопоставимости двух видов миграции (Мельчаков, Суриков, 2006). Аналогичный вывод можно сделать, сравнив эвапотранспирацию с вовлечением зольных элементов в биологический круговорот.

В результате анализа соотношения масс элементов, транспортируемых эвапотранспирацией, установлено следующее.

1) Кларки главных элементов в основных породах, по А.П. Виноградову (1962): Si > Al > Fe > Са > Mg > Na >K > P > S - незначительно влияют на анализируемые величины (без сравнения с рассеянными элементами).

2) Обнаружено отличие от соотношения средних концентраций элементов в речных водах, по В.В.Добровольскому (2003): меньшее значение Si и большее - Р в эвапотранспирации по сравнению с переносом элементов речными водами.

На основании отмеченных особенностей автор делает вывод об избирательном вовлечении химических элементов в эвапотранспирационную миграцию. Соответствующий поток не является только химическим или геохимическим процессом, что представляется закономерным с учетом биогенной природы изученного явления.

3) Активно мигрирующие в большинстве ландшафтно-геохимических обстановок элементы (S, Са, Na и Mg), как правило, имеют более значительные величины анализируемого потока, чем слабоподвижные элементы, и наоборот.

4) Элементы энергичного и сильного биологического накопления, как правило, активно участвуют в аэральном потоке, а роль элементов слабого и очень слабого захвата значительно ниже. Явное несоответствие отмечено лишь по 2-м элементам - Р и Fe, причем роль первого в анализируемом потоке меньше, чем это можно предполагать, а роль второго - больше.

5) Сведения о физиологической роли элементов (по Н.Д. Алехиной с соавт. (2005) и Н.И. Якушкиной (2005) имеют ограниченное значение для данного анализа. При наличии искомой положительной корреляции все три элемента: Na, Si и Al, не являющиеся необходимыми для жизни высших зеленых растений, занимали бы подчиненное положение в эвапотранспирации, однако это не наблюдается. Вероятно, известные представления о растениях как геохимических насосах в целом соответствуют представленной оценке.

Аналогичные выводы получены при анализе рассеянных элементов.

Таким образом, вопрос о соотношении масс элементов, мигрирующих посредством эвапотранспирации, достаточно сложен. П.В. Елпатьевский (1993) считает, что растения обладают способностью оптимизации минерального питания. Несмотря на различия в концентрациях металлов в питательных растворах, во всех случаях сохраняет свое постоянство круг активно поглощаемых элементов и круг лимитируемых. Поступление токсичных элементов - Pb, Cd, Cu, Al - растениями тормозится. В условиях низкогорья Среднего Сихотэ-Алиня соотношение элементов в рассматриваемой миграции:

Са > Na > K > S > Mg > Fe > Zn > P > Mn > Cu - принципиально не отличается от нашего результата: Са > S > Na > K > Fe > Mg > Mn > P > Zn > Cu.

Вероятно, это закономерно (Мельчаков, 2006).

В результате более дифференцированного анализа определен относительный вклад лесных ярусов горно-таежного и подгольцового поясов в эвапотранспирационную миграцию. Главным поставщиком в данном потоке в горно-таежном поясе является травяно-кустарничковый ярус (92 % от общего массопотока), а в подгольцовом вклад травяно-кустарничкового и древесного ярусов примерно одинаков (соответственно 42 и 58 %).

Также установлено, что анализируемые параметры большинства элементов в подгольцовом поясе в несколько раз уступают соответствующим данным горно-таежного пояса (по сумме элементов в 2,7 раза).

Анализ коэффициентов корреляции (табл. 3) свидетельствует о наличии положительной корреляционной связи между рассматриваемыми потоками.

Таблица 3. Коэффициенты корреляции Пирсона (r) между величинами потоков, мобилиуемых ярусами ландшафтов

Группа элементов	Сравниваемые объекты
	Горно-таежный пояс	Подгольцовый пояс
	Травяно-кустарничковый - древесный ярусы	Травяно-кустарничковый - древесный ярусы
1. Главные	0,986	0,991
Рассеянные:
2. Литофильные	0,617	0,713
3. Халькофильные	0,998	0,940
4. Сидерофильные	0,997	0,999

Особенности геохимии эвапотранспирации в степных ландшафтах.

Установлено, что эвапотранспирационная миграция химических элементов в ковыльной степи имеет отличия от таежных ландшафтов (табл. 1-2). Массы большинства главных элементов, вовлекаемых эвапотранспирацией в аэральный поток, в 2 и более раза уступают значениям, установленным для тайги. Приоритетность элементов иная: в эвапотранспирации доминирует S (степь), а не Са (тайга).

Специфика рассматриваемой миграции в степных ландшафтах иллюстрируется следующим примером. Известно, что в зональных элювиальных почвах биологический круговорот и выщелачивание определяют миграцию некоторого количества К и Na, однако их много меньше, чем Са. Поэтому Са занимает господствующее положение в поглощающем комплексе почв. Однако в рассматриваемом массопотоке роль Са и К примерно одинакова, а массы мигрирующего Na почти в 5 раз больше, чем Са.

В группе рассеянных элементов существенных отличий от группы главных элементов не обнаружено: массы большинства элементов в 2 и более раза уступают значениям, установленным для тайги. В группе рассеянных литофильных элементов доминируют Br и Mn: их массы практически равны (в тайге преобладает Mn, а Br на порядок меньше), в группе рассеянных халькофильных элементов - Zn (как и в тайге).

Установлена достоверность различий тайги и степи по величинам эвапотранспирации применительно к ряду элементов (табл.4).

Суммарно величина аэрального потока продуктов эвапотранспирации в степи в 3,3 раза ниже, чем в тайге: соответственно 510 и 1700 кг / км² · год.

Выявленные отличия геохимии двух зон обусловлены комплексом ландшафтно-геохимических факторов (Мельчаков, 2005, 2006). Различия в массах элементов, мобилизуемых эвапотранспирацией, связаны с тем, что именно в лесных ландшафтах наиболее резко выражена способность организмов создавать среду своего обитания, преобразуя окружающую среду (Перельман, 1999; Перельман, Касимов, 1999). Своеобразным проявлением этой трансформации является изученный массопоток, который вносит вклад в формирование специфических особенностей всех биогенных ландшафтов Земли. В степных ландшафтах роль организмов в создании среды обитания меньше. Количественным выражением отмеченных отличий является разница в биомассе сравниваемых зон, составляющая примерно порядок. Другой существенной причиной являются различия в интенсивности процессов выщелачивания в почвах степи и тайги. Более слабое выщелачивание в зональных типах почв степей связано с щелочной средой, менее благоприятной для миграции большинства металлов, и слабым промачиванием в условиях сухого климата.

Таблица 4. Достоверность различий величин эвапотранспирационного потока в таежных и степных ландшафтах

Элемент	ТТЕСТ1	Элемент	ТТЕСТ1
В	0,905338	Mn	0,00418
Na	0,970156	Со	0,533234
Mg	0,004153	Ni	0,003718
Al	0,09635	Cu	0,001843
Si	0,437214	Zn	0,007571
P	0,78416	As	0,009687
S	0,575645	Se	0,805741
K	0,000646	Cd	0,005762
Ca	0,001163	Hg	0,01382
Fe	0,370522	Pb	0,085568

Примечание. ¹ Возвращает вероятность, соответствующую критерию Стьюдента. Подчеркнутые числа указывают на статистическую достоверность различий двух объектов на 5%-ном (значения ТТЕСТа <0,05), на 1%-ном (значения ТТЕСТа <0,01) и на 0,1%-ном (значения ТТЕСТа <0,001) уровнях значимости.

Техногенное изменение эвапотранспирационной миграции.

Данный вопрос в литературе практически не освещен. На основании исследований, проведенных в ландшафтах, находящихся почти в 30 км от Среднеуральского медеплавильного комбината, автору удалось установить следующее.

1. Выявлено возрастание масс большинства элементов, вовлекаемых эвапотранспирацией в аэральный поток в ландшафтах: главных элементов в 2-7 раз (как исключение - Mg, массы которого выше в 19 раз), рассеянных элементов - в разы или на порядок.

2. Флуктуации техногенной природы четче идентифицируются эвапотранспирационным потоком рассеянных элементов. Трассерами являются халькофилы, поток которых в рассматриваемой зоне слабого техногенеза выше фонового значения на порядок (соответственно 68 и 7 кг/км^{2 .} год) (Мельчаков, Суриков, 2006).

3. Роль эвапотранспирации в поддержании баланса элементов существенно выше по сравнению с фоновыми ландшафтами (Мельчаков, 2007).

4. Аварийные выбросы комбината резко увеличивают межгодовую изменчивость явления эвапотранспирации. Наибольшее увеличение массопотока отмечено применительно к Tl в 2001 г: до 26 000 г/км^{2 .} год при минимальном за 4 года значении 4,5 (первое число в расчетах среднего не использовалось ввиду явной аномальности).

5. Предложено использование эвапотранспирационных конденсатов для поисков в грунтах и почвах аномалий содержания элементов. Такие изыскания представляются весьма актуальными в районах разного рода техногенных захоронений для индикации возможной опасности для человека и окружающей среды в целом, особенно в тех случаях, когда предполагается хозяйственное использование таких земель (Мельчаков, Суриков, 2006).

6. Аэральный поток продуктов эвапотранспирации в техногенных ландшафтах можно рассматривать с позиций предложенного М. А. Глазовской (1997) понятия геохимических стартеров - совокупности процессов мобилизации ранее накопившихся в твердой фазе почв техногенных или природных соединений, подвижные формы которых токсичны.

эвапотранспирация лесной ландшафт урал

Глава 6. Приходно-расходные звенья биогеохимических циклов элементов.

Еще А.А. Григорьев (1966) указал на необходимость изучения проблемы баланса химических веществ в географической среде для понимания функционирования ландшафта. В настоящее время расчет балансов химических элементов дает возможность определить тенденции развития геосистем и выйти на их прогнозирование (Семенов, Снытко, 1992).

Известны неоднократные попытки определения балансов элементов в отдельных регионах (Глазовский, 1985; Елпатьевский,1993; Мельчаков, 1985; Учватов, 1981; Cole, Gessel, Dice, 1967; Henderson, Swank, Waide, Grier, 1978; Johnson, Swank, 1973; Likens et al., 1977; Turner, 1985; Turner, Lindberd, Coe, 1985).

Моделью биосферных циклов массообмена химических элементов должен служить не замкнутый кругооборот постоянных масс, а циклическая система миграционных потоков, в которых мигрирующие массы могут перемещаться из одного массопотока в другой, а избыточное количество тех или иных химических элементов частично выводиться из миграции в одну из фазовых оболочек (Добровольский, 2003а).

Образование больших резервуаров обусловлено неспособностью микроорганизмов полностью замкнуть циклы (Заварзин, 2004).

Одной из наиболее важных (хотя и наименее изученных) приходно-расходных частей баланса вещества в ландшафтах является аэральный поток.

Соотношение приходно-расходной частей биогеохимических циклов элементов в таежных ландшафтах.

Среднетаежные среднегорные ландшафты Северного Урала. Соотношение массопотоков химических элементов показано на рис. 2-3, количественная модель миграционных потоков химических элементов - на рис. 4.



Рис. 4. Массопотоки суммы элементов в таёжных ландшафтах, т/км² ·год (пояснения по массопотокам см. на рис. 2)

Величины атмосферных выпадений, как правило, превышают эвапотранспирационный транспорт и вынос с речным стоком.

Проведенные в Приокско-террасном биосферном заповеднике многолетние исследования геохимического баланса Fe и нескольких рассеянных элементов (Mn, Cu, Zn, Ni, Cr, Co, Pb, Cd) показали, что баланс всех элементов всегда положителен (Учватов, 1994). В.П.Учватов раздельно анализировал поступление элементов: с жидкими атмосферными осадками, пылью, опадом и вынос: с ионным речным стоком, твердым речным стоком. Применительно к Fe диапазоны соответствующих значений в кг/км² · год равны: поступление - 360-380, 380-590, 115-252; вынос: 0,25-0,45, 205-460. Следовательно, в заповедном районе, если рассматривать только водорастворимые формы, то поступление превышает вынос на 3 порядка.

Нами определено, что значения эвапотранспирации и выноса с речным стоком обычно в пределах одного порядка.

По аналогии с предложенным М.А.Глазовской (1967) коэффициентом атмогеохимической активности рассчитано отношение масс элементов, вовлекаемых эвапотранспирацией в аэральный поток, к массам элементов, поступающим с опадом (К э/о) - см. табл. 5.

Анализ К э/о показал следующее. 1. В группе главных элементов коэффициенты, как правило, равны 0,n -0,0n. 2. К э/о тяжелых металлов и близких им элементов, напротив, чаще больше 1, причем малым кларкам элементов соответствуют, как правило, наибольшие коэффициенты.