КИСЛОТНЫЕ ОСАДКИ И ЛЕСНЫЕ ПОЧВЫ

Под редакцией В.В. Никонова ⁽¹⁾ и Г.Н. Копцик ⁽²⁾

Аннотация:

Кислотные осадки представляют важнейшую региональную проблему окружающей среды. По мнению большинства ученых, именно кислотные осадки внесли существенный вклад в деградацию лесов северной, центральной, западной Европы и восточного побережья США. В дополнение к прямому воздействию кислых растворов на кроны деревьев, проявляющемуся в повреждении тканей и потере метаболитов, поступающие из атмосферы кислоты изменяют свойства почв, что принято считать наиболее важной причиной деградации лесов. Важнейшие отрицательные последствия воздействия кислотных осадков на почвы связаны с повышением почвенной кислотности, выносом элементов минерального питания и мобилизацией токсичных элементов. Эти аспекты трансформации почв еще не были в достаточной степени изучены в восточной Европе. Настоящая монография призвана восполнить этот дефицит.

Детально исследовано влияние атмосферных выпадений серы и тяжелых металлов на песчаные подзолы под сосновыми и березовыми лесами Кольского полуострова вблизи крупнейших в северной Европе медно-никелевых комбинатов. Изучены поступление и состав атмосферных выпадений, миграция и аккумуляция элементов в почвах, динамика органического вещества, кислотность и катионообменные свойства почв, поглощение элементов растениями в фоновых и дефолиирующих лесах, техногенных редколесьях и пустошах. Особенности химического состояния подзолов обусловлены совокупностью процессов, включающих поступление элементов из атмосферы, их взаимодействие с кронами деревьев, разложение органического вещества, вытеснение обменных оснований протонами и катионами тяжелых металлов в почвенном поглощающем комплексе. Подстилка служит важным биогеохимическим барьером, эффективно связывающим металлы и препятствующим их проникновению вглубь профиля. Доминирующие виды растений загрязненных районов накапливают значительные количества S, Ni, Cu, Fe, N, P, K и теряют Ca, Mg, Mn, Zn.

В монографии представлены результаты экспериментального моделирования пятилетнего воздействия кислотных дождей на разные типы лесных почв восточной Литвы (Литовский национальный парк). Исследовались автоморфные подзол и бурая лесная почва и гидроморфная аллювиальная болотная перегнойно-глеевая почва. Кислотное воздействие существенно изменяло свойства почв и состав почвенных растворов. Относительное участие процессов катионного обмена и растворения гидроокислов Al в нейтрализации кислых растворов определялось свойствами почвы, уровнем кислотного воздействия и его продолжительностью. Кислые автоморфные почвы оказались значительно менее устойчивыми к подкислению и проявлению его неблагоприятных последствий в сравнении с нейтральной аллювиальной почвой.

Механизм обеспечения буферной способности подзола при высоких уровнях кислотной нагрузки тесным образом связан с функционированием алюминиевой буферной зоны, тогда как значение реакций обмена протонов на катионы Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺ в нейтрализации избыточной кислотности невелико. Уже на первых стадиях интенсивного кислотного воздействия (рН 3,0) доля ионов Al3⁺ в составе мобилизуемых катионов составляла около 30% и достигала 65% к концу эксперимента. При снижении рН воздействующего на почву раствора до 2,5 мобилизуемый Al³⁺ составлял 44% катионов почвенного раствора в начале эксперимента и свыше 90% - к концу имитации пятилетнего взаимодействия почвы с кислым раствором.

В бурой лесной почве подвижность алюминия возрастала только при экстремальной кислотной нагрузке (рН 2,5), тогда как при рН воздействующего раствора 3,0 катионообменная буферная зона обеспечивала практически полную нейтрализацию избыточной кислотности, а доля Al³⁺ в составе мобилизуемых катионов не превышала 7-8%. Повышение концентрации Al³⁺ в почвенном растворе при наиболее сильном кислотном воздействии происходило после обработки бурой лесной почвы количеством раствора, соответствующим 2-летней норме осадков. Нейтральная, насыщенная основаниями аллювиальная почв нейтрализовала избыточную кислотность в пределах катионообменной буферной зоны во всех вариантах кислотного воздействия.

Процесс выщелачивания элементов из почвенного профиля может либо ограничиваться потерей только обменных форм, либо затрагивать необменные формы элементов. Вероятность потери почвой прочно фиксированных элементов определяется как свойствами самой почвы, так и интенсивностью кислотного воздействия. Наибольшая потеря необменных форм Ca и Mg происходила из минеральных горизонтов подзола.

В разных типах почв интенсивность процесса выноса отдельных обменных оснований неодинакова. Ряды интенсивности выноса (по проценту потерянных элементов от их исходного содержания) зависят также от интенсивности кислотного воздействия. Свое положение в таких рядах меняет, в частности, Mg, считающийся "критическим" элементом для кислых лесных почв.

В почвах повышаются как актуальная, так и потенциальная формы кислотности. Наибольшее повышение содержания обменного Al³⁺ и уменьшение отношения Ca²⁺:Al³⁺ было характерно для лесной подстилки подзола и гумусово-аккумулятивного горизонта бурой лесной почвы.

Под воздействием растворов, кислотность которых превышает естественную кислотность почвенного раствора, происходит снижение миграционной активности органического вещества и Fe. Активность миграции Al может как снижаться при умеренном подкислении, так и возрастать при повышении кислотной нагрузки на почву. Концентрации Fe и Al в почвенном растворе контролируются поведением органо-минеральных комплексных соединений, в составе которых преимущественно осуществляется миграция металлов из верхних горизонтов лесных почв. Разрушение комплексов и освобождение Al происходит только при экстремальных значениях рН, поэтому повышение концентрации Al³⁺ до токсичных уровней в почвенном растворе органогенных и гумусово-аккумулятивных горизонтов маловероятно.

Содержание необменного подвижного Al (растворимого в ацетатно-аммонийном буфере) повышалось во всех почвах, включая аллювиальную перегнойно-глеевую, в которой обменный Al³⁺ в почвенном поглощающем комплексе не появлялся даже после 5-летнего воздействия раствором с рН 2,5. В то же время в иллювиальных горизонтах подзола количество подвижного Al уменьшалось при воздействии на почву раствора с рН 2,5 в результате интенсивного выщелачивания элемента. В подзоле наблюдались наибольшие изменения в состоянии Al, общая тенденция которых заключалась в трансформации менее лабильных форм соединений металла в более лабильные (силикатных в несиликатные, окристаллизованных в аморфные). Трансформация соединений Fe в целом происходила в том же направлении. Исключение составляло отсутствие мобилизации Fe в почвенный раствор даже под воздействием раствора с рН 2,5.

Изменение содержания форм соединений Al и Fe в почвах происходило в основном в результате действия трех разных процессов. Первый - это снижение миграционной активности металло-гумусовых водорастворимых комплексов. В результате относительное накопление подвижных форм элементов может происходить в верхних горизонтах, характеризующихся интенсивным выносом органо-минеральных комплексов в естественных условиях. Второй процесс связан с повышенным выносом минеральных форм Al при интенсивном кислотном воздействии. Вследствие этого содержание подвижной и аморфной форм соединений металла уменьшается в верхних минеральных горизонтах кислых лесных почв. Балансовые расчеты показали, что эти два фактора отвечают за 30-50% изменения состояния Al и Fe в разных почвах. Остальной вклад осуществляется процессом трансформации стабильных соединений металлов в более лабильные на месте.

Mn относится к очень чувствительным к подкислению элементам. Так как его комплексы с органическим веществом менее стабильны в сравнении с Fe- или Al-комплексами, то выщелачивание Mn из поверхностных горизонтов оказывается сравнимо с выносом Mg и Ca, а иногда относительная потеря Mn наиболее существенна. Подкисление приводило также к интенсивному выщелачиванию Zn, Co, Ni и Cd из кислых автоморфных почв, тогда как мобилизация этих микроэлементов не происходила в аллювиальной перегнойно-глеевой почве во всем диапазоне кислотного воздействия (рН 4,5-2,5). Cu, Pb и Cr мобилизовались в кислых почвах только при экстремальном кислотном воздействии.

Интенсивное выщелачивание Mn и Zn сопровождалось изменением состояния этих элементов в почвах. Основные закономерности происходящих изменений отличаются от таковых для Ca, Mg, K, Fe и Al. Трансформация соединений Mn и Zn происходила в результате комбинации процессов выщелачивания, характерного в большей степени для Ca, Mg, K, и трансформации менее лабильных соединений в более лабильный, более характерной для Fe и Al. Интенсивность этих процессов зависела как от кислотной нагрузки, так и от исходного состояния элементов в разных почвах и горизонтах. Так, присутствие Mn и Zn в лесной подстилке главным образом в виде подвижных соединений обуславливало потерю при кислотном воздействии до 90% их исходного количества. В минеральных горизонтах подвижные формы элементов составляют лишь незначительную часть от их общего содержания, поэтому на первое место выходили процессы трансформации менее лабильных соединений и их последующего выщелачивания из верхних горизонтов в нижележащие.

Адсорбция SO4^2- в минеральных горизонтах почв происходила только на первых стадиях подкисления (6-24 имитируемых месяца в подзоле и 6-12 месяцев в бурой лесной почве), тогда как аллювиальная почва продолжала поглощать сульфаты в течение всего экспериментального периода. Количество адсорбированной S увеличивалось при повышении концентрации SO4^2- в растворе. Элемент прочно фиксировался в почвах, в результате количество его обменной формы возрастало незначительно. Максимум поглощения характерен для горизонтов богатых органическим веществом, тогда как эти горизонты могли существенно отличаться по состоянию соединений Al и Fe. Например, горизонт ОЕ подзола содержал мало аморфных соединений Al и Fe, горизонт А бурой лесной почвы был, напротив, богат ими, а перегнойный горизонт аллювиальной почвы содержал большое количество несиликатного Fe при полном отсутствии несиликатного Al.

В сосновых, еловых и березовых лесах восточной Литвы определены поступление и скорость разложения основных фракций растительного опада и связанные с этими процессами потоки элементов питания. Сосновые леса отличаются низким поступлением азота и зольных элементов с опадом (90 кг/га), низкой скоростью разложения (k=0.2-0.6 год^-1), незначительным ежегодным высвобождением элементов питания из разлагающегося опада и их аккумуляцией в лесной подстилке (5500 кг/га). Возрастающие поступление элементов с опадом и его скорость разложения в еловых и березовых лесах определяют сравнительно высокую обеспеченность почв питательными элементами. Кислотное воздействие приводит к нарушению процессов разложения растительных остатков и биологической активности почв как в полевых, так и в лабораторных экспериментах.

Монография включает обзор международных и национальных подходов к мониторингу экосистем и почв как их компонентов, к его методологии. Особое внимание уделено принципам и методам Международной совместной программы (International Co-operative Programmes, ICP's) и Пилотной программы комплексного мониторинга (Pilot Programme of Integrated Monitoring, IMP), начатых в рамках Конвенции о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния с целью мониторинга и оценки воздействия атмосферных поллютантов на окружающую среду. Основной целью комплексного мониторинга наземных экосистем является определение и прогноз состояния экосистем (или водосборов) и их изменений в долговременной перспективе, с учетом региональных особенностей и воздействия атмосферных поллютантов, особенно серы и азота, включая влияние на биоту. Комплексный мониторинг экосистемы подразумевает одновременные длительные наблюдения за физическими, химическими и биологическими свойствами различных компонентов экосистемы в одном месте. На практике мониторинг осуществляется в ходе ряда подпрограмм, связанных использованием одинаковых параметров и (или) одних и тех же (близких) станциях. Центральное место в подходах IMP занимает мониторинг баланса важнейших химических соединений в пределах экосистемы. В подпрограмме химии почв основное внимание уделяется кислотно-основным взаимоотношениям и уровням важнейших элементов питания. Подпрограмма химии почвенных вод - одна из наиболее существенных для понимания геогидрохимических и биологических взаимодействий.

Реакция почв на кислотные выпадения зависит от их буферной способности. Изучение природы и пределов буферной способности различных почв, механизмов и кинетики буферных реакций необходимо для прогноза скорости дальнейшего подкисления и оценки критических нагрузок. Монография обобщает имеющуюся информацию по оценке чувствительности почв к подкислению, основанной как на внутренних свойствах (емкость буферности по отношению к кислотам, кислотность, содержание обменных катионов и др.), так и на классификационной принадлежности почв. Разработана классификация лесных почв северо-запада европейской части России по их чувствительности к кислотным выпадениям.

В монографии дается критический анализ подходов к оценке критических нагрузок кислотообразующих соединений, принятых в рамках Конвенции о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния с целью разработки стратегии сокращения выбросов кислотообразующих поллютантов в атмосферу. Критическая нагрузка рассчитывается как максимальное количество осаждающихся загрязняющих веществ, которое не вызывает негативных последствий для экосистемы или ее компонента. Для определения чувствительности лесных почв, поверхностных и грунтовых вод к подкислению пригодны простые балансовые методы и стационарные модели. Проводится детальный анализ этих подходов в связи с их широким использованием для оценки и картографирования критических нагрузок в Европе. Возможные изменения лесных почв под воздействием кислых осадков оценены с помощью стационарной модели PROFILE. Согласно расчетам, доминирующие в Восточной Литве песчаные подзолы являются высоко чувствительными к кислотным выпадениям.

Оценка и картографирование критических нагрузок кислотных выпадений и их превышений для лесных почв европейской территории бывшего Советского Союза были проведены с помощью простого балансового метода в квадратах сети 1.0° долготы на 0.5° широты. Современный уровень кислотных выпадений на большей части территории России не приводит к подкислению почв, в том числе самых чувствительных песчаных подзолов. Однако высокое поступление кислотных компонентов из атмосферы на Кольском полуострове, в западных регионах России, некоторых областях Белоруссии, Украины и стран Балтии превышает их критические нагрузки и увеличивает риск повреждения лесных экосистем. Неопределенность в оценке величин критических нагрузок может быть достаточно велика благодаря неопределенности пороговых значений химических критериев подкисления почв, методов оценки и данных. Неопределенность данных обусловлена как ограниченным экспериментальным материалом, так и высоким пространственным варьированием свойств почв. Безусловно, полученные результаты являются предварительными и отражают текущее состояние проблемы оценки критических нагрузок кислотных выпадений в России. Составленные карты могут быть дополнены и уточнены по мере накопления исходных данных и совершенствования методов оценки.

Для почвоведов и экологов.

back

home