Актуальность темы
В начале 60-х гг. XX 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, в это время был проведен 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. XX в. новым стимулом к изучению стала тревога мировой общественности по поводу состояния окружающей среды, в том числе важнейшего ее компонента — атмосферного воздуха (Barringer, 1977; Da-vies, Wixson, 1985; Hanssen et al., 1980; Mouse, Fernandez, 1987; Nriagu, Paсупа, 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). Ряд зарубежных ученых рассмотрели распределение и источники поступления химических элементов в атмосферу (Boutron, Martin, 1980; Nriagu, 1989; Pacyna, 1986). Химия атмосферы стала одной из наиболее туальных 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 атмосферные и биогеохимические циклы.
Постановка проблемы 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 XX в. В. И. Вернадским (1927) и В. М. Гольдшмидтом (1938а, 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 живых 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; Ахмед-сафин, Гребенюков, Иванов, 1978; Елпатьевский, 1993; Кудерина, 1999; Мельчаков и др., 2001гДобровольский, Мельчаков, Учватов и др., 2003; Мельчаков, 2005 и др.).
Решение поставленной проблемы невозможно без параллельных определений 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). В последние годы получены величины потоков главным образом углекислого газа из наземных экосистем России, Европы и планеты в целом (Круговорот 1999; Курганова, Кудеяров, 1998; Курганова, Типе, 2003; Курганова и др., 2004; Кудеяров, 2005; Кудеяров, Курганова, 2005; Ларионова, Евдокимов, Курганова и др., 2003; Janssens et al., 2001; Schlesinger, Andrews 2000).
В оценке массопереноса в системе «почва — атмосфера» встречаются большие сложности. Так, если в определении транспирационных форм элементов древесных растений их можно вычленить из общего эва-потранспирационного потока, включающего газовые эманации из почвы, то для наземной травянистой растительности сделать это технически сложно. Отмеченная трудность хорошо известна экспериментаторам, которые пытались определить раздельно массу испаряющейся влаги с поверхности почвы и поверхности травянистых растений (Козловский, 1969). По этой причине определяли суммарную величину эвапотранспирации с поверхности почвы. Кроме того, вода испаряется с поверхности стволов и толстых ветвей древесных растений, хотя ее количество значительно меньше того, которое теряется через листья (Полевой, 1989). Этот массо-поток не изучался.
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 сравнительногеографический 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 эвапотранс-пирационный 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° с. ш. (заповедник «Денежкин Камень» на севере Свердловской обл.) до 51° 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 нетрансфор-мированных растительностью, опада, эвапотранспирации, выноса с речным стоком — в типичных ландшафтах Урала.
Выработаны практические рекомендации для природоохранных органов.
Практическое значение работы. Результаты диссертационных исследований вошли в отчеты ряда научно-иследовательских 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 принимал участие 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. 4.1. Екатеринбург, 1999». ,.
Апробация работы. Результаты работы опубликованы в 3 монографиях, учебном пособии, 39 статьях и 13 депонированных рукописях и тезисах докладов конференций.
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), X 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 reoi химии 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), 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), Международной научной 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 299 страниц.. (вместе с приложением 341 страницы), содержит 72 рисунка и 68 таблиц.
6.4. Выводы.
1. Установлена положительная корреляционная с-вязь массопотоков: эвапотранспирация и атмосферные выпадения — применительно к подавляющему большинству рассмотренных групп элементов. Отмеченные мас-сопотоки являются наиболее тесно связанными: они пронизывают нижние слои тропосферы и количество факторов, осложняющих эту связь, меньше в сравнении с другими изученными потоками. Значения коэффициентов корреляции в среднетаежных ландшафтах Северного Урала выше, чем в степных ландшафтах Южного Урала.
2. Установлено, что аэральный поток продуктов эвапотранспирации ' Ч ослабляет дисбаланс масс элементов, являясь своеобразным «разгрузочным механизмом» функционирования геосистем, так же как опад и сток. В среднетаежных ландшафтах Северного Урала итоговое соотношение при-ходнорасходной частей биогеохимических циклов элементов = -420 кг/км2 ' год (с учетом эвапотранспирации) или +1290 кг/км2 • год (без ее учета). Аналогичное соотношение в степных ландшафтах Южного Урала.
Л гу.
3680 кг/км • год или +4200 кг/км • год (без учета эвапотранспирации). Следовательно, эвапотранспирация менее эффективно ослабляет дисбаланс по сравнению с таежными ландшафтами.
3. Доказана соразмерность и взаимосвязанность миграционных процессов: атмосферных выпадений, эвапотранспирации, опада и выноса с речным стоком. Эти характеристики являются важными, показателями нормального функционирования ландшафтов и их устойчивости как к.
I, ««* природным, так и техногенным дестабилизаторам.
4. Показано, что степень сопряженности миграционных процессов убывает в пространственном ряду: тайга — степь. Возможно, это обусловлено более весомой ролью живого вещества в организации взаимосвязанности массопереносов в гумидных, чем в семиаридных ландшафтах.
5. Определено, что в аэральном потоке продуктов эвапотранспирации возрастает относительное значение рассеянных элементов, массы которых относительно невелики, по сравнению с их относительной ролью в биологическом круговороте в узком смысле слова.-Для растений образование летучих соединений, возможно, является дополнительным способом освобождения от токсичных соединений.
6. Обнаружена положительная корреляционная связь состава транс-пирационных выделений в атмосферу и дождевых осадков.
7. Констатирована ошибочность представления об атмосферных выпадениях на полянах как нетрансформированных растительностью.
8. Сравнительный анализ массопотоков северо — и южноуральских горно-таежных ландшафтов показал наличие значительных буферных возможностей последних.
9. Установленные закономерности должны учитываться при проведении комплексных мероприятий по охране и рациональному природопользованию.
Заключение
.
1. Разработана методология изучения эвапотранспирационной миграции химических элементов в ландшафтах. На основании проведенных исследований раскрыты ее закономерности в ландшафтах Северного, Среднего и Южного Урала, которые позволяют объяснить направленность происходящих процессов.
2. Выявлены закономерности аэрального массопотока в системе «тропосфера — растительность — почва» применительно к природным условиям Урала.
Впервые определены количественные параметры суммарных атмосферных выпадений большинства элементов на Урале. Установлено, что в таежных ландшафтах ежегодно поступает из атмосферы на 1 км2: Са и К— 1000 х п кг- 8, Иа, Бе, 81 и Мл —.
•у'. 100 х п кгА1, Р, 8 г, Ва, Хп, Си — 10 х п кгВ, РЬ, ТСг, №. и других. элементов— п кгV, Сс1, Аэ, 8е и других элементов— 100 х п. г. Представители группы редких земель и некоторые другие элементы поступают в таежные ландшафты в количестве, измеряемом 1 х п— л.
10 х п г/км • год. Приведенные значения характеризуют поток атмосферных выпадений, усиленный взаимодействием с растительным компонентом.
Обнаружены сезонные количественные отличия аэрального массопотока. Выпадения большинства элементов за теплый период года превосходят значения холодного периода в п раз — на порядок. Суммарное выпадение элементов в теплый период года составляет 92% годового массопотока. Указанный тренд закономерен: зимой активность живого вещества значительно замедляется, соответственно ослабевает воздействие полога леса на атмосферные выпадения и уменьшаются масштабы аэрального потока продуктов эвапотранспирации. Сезонный тренд указывает на важную роль биоклиматических факторов в рассматриваемом массопотоке.
Вблизи источников загрязнения атмосферного воздуха, в отличие от исследуемого фонового района, сезонные тренды могут быть обусловлены явлениями чисто техногенного характера (флуктуациями выбросов поллютантов в атмосферу) или изменениями природных процессов, которые накладываются на существующую техногенную основу (например, меняется роза ветров). Установлены и проанализированы сезонные различия влияния древесных растений на состав атмосферных выпадений: в холодное время года данное влияние проявляется нестабильно. Трансформация атмосферных выпадений пологом леса в теплый период года усиливается. 3. Определены особедности геохимии, эвапотранспирации в ландшафтах таежной и степной зон Урала.
Впервые выявлены масштабы аэрального потока продуктов эвапотранспирации в системе «почва — растительность — тропосфера» применительно к природным условиям Урала. Установлено, что в л таежных ландшафтах Урала ежегодно с 1 км мобилизуется в атмосферу: Са, Б, Ыа и К — 100 х п кг, Бе, и А1 — 10 х п кг, Р, Мп, В, Бг, Ва, гп и Си— п кг, ТI, Вг, Сг, РЬ, Бе, М — 100 х п г, О, гг, 8с, V, 8Ь, Сс1, 8п, Аэ, ва, Н^ и Со — 10 х п г. Многие рассеянные элементы переносятся в количестве, измеряемом 0,1—1 хп г/км2-год. ' Изученный поток суммы анализируемых элементов в таежных I ландшафтах составляет 27—33% от таких значимых процессов, как атмосферные выпадения и вынос с речным стоком соответственно.
Обнаружено, что в массопотоке, вызванном эвапотрацспира.
I ¦ цией, возрастает относительное значение тяжелых металлов и близких им элементов, массы которых невелики, по сравнению с участием их масс в биологическом круговороте. Возможно, это свидетельствует о выработанном растениями в процессе эволюции механизме избавления от токсичных элементов путем транспирации.
Установлена связь состава конденсатов эвапотранспирационных выделений с местоположениями изученных участков. Констатировано увеличение концентраций элементов в конденсатах горнотаежного пояса по сравнению с подгольцовым, что объясняется биоклиматическими факторами. Как следствие, значения аэрального потока продуктов эвапотранспирации применительно к большинству элементов в горно-таежном поясе в несколько раз превышают соответствующие значения для подгольцового пояса (по сумме элементов в 2,7 раза).
Определен относительный вклад лесных ярусов в аэральный поток продуктов эвапотранспирации. В горно-таежном поясе эва-потранспирация травяно-кустарничкового яруса составляет 92%, древесного яруса — 8% от общего массопотока. Соответствующие параметры подгольцового пояса принципиально иные: в нем эва-потранспирация травяно-кустарничкового яруса составляет 42%, древесного яруса — 58% от общего массопотока.
4. Выявлены зональные различия аэральной миграции химических элементов в пределах Урала.
Атмосферный массопоток большинства элементов в степных ландшафтах больше в п раз, чем в таежных, соответственно суммарное значение выпадений элементов отличается в 1,9 раза.
Поток масс элементов, вызванныйвапотранспирацией, в степных ландшафтах меньше в п раз, чем в таежных, соответственно суммарное значение транспорта элементов отличается в 3,4 раза.
5. Установлено, что аэральный поток продуктов эвапотранспирации является необходимой частью баланса мигрирующих масс элементов, являясь своеобразным «разгрузочным механизмом» функционирования геосистем. При этом поток вещества, вызванный эвапотранспирацией, вовлекается в следующий биогеохимический цикл.
В среднетаежных ландшафтах Северного Урала величина аэрального потока продуктов эвапотранспирации применительно к сумме элементов имеет порядок 1,7 т/км • год.
В степных ландшафтах Южного Урала этот же параметр оценивается величиной порядка 0,5 т/км • год.
