ДЕГРАДАЦИЯ, ВОССТАНОВЛЕНИЕ И ОХРАНА ПОЧВ
УДК 631.453:631.433.3
ЭМИССИЯ CO2 ПОЧВАМИ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМБИНАТА "СЕВЕРОНИКЕЛЬ"
В КОЛЬСКОЙ СУБАРКТИКЕ*
© 2013 г. М. С. Кадулин, Г. Н. Копцик
Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы e-mail: tubmaxxl@mail.ru, koptsikg@mail.ru Поступила в редакцию 04.07.2012 г.
Интенсивность дыхания почв in situ в фоновых северо-таежных ельниках Кольской субарктики составляет 120—290 мг C—CO2, мг/м2 ч. С нарастанием атмосферного загрязнения в зоне влияния ГМК "Североникель" интенсивность дыхания почв в ельниках последовательных стадий техногенной сукцессии уменьшается до 90—140 (стадии дефолиации), 30 (елово-березовое редколесье) и 15— 30 мг C—CO2, мг/м2 ч (техногенные пустоши). Впервые исследовано воздействие промышленного загрязнения на долю корневого дыхания. Выявлена зависимость эмиссии СО2, доли дыхания минеральных горизонтов почвы, биомассы микроорганизмов и дыхания корней от содержания биологически доступных соединений никеля и меди в почвах. Оценена эффективность двух методов реме-диации техногенных пустошей вблизи комбината по четырем параметрам биологической активности. Ремедиация с созданием насыпного слоя более эффективна, чем хемо-фитостабилизация.
Ключевые слова: дыхание почв, биологическая активность, загрязнение.
DOI: 10.7868/S0032180X13110063
ВВЕДЕНИЕ
Сера и тяжелые металлы являются основными агентами металлургических производств, оказывающими негативное воздействие на природные экосистемы, включая почвы [10, 11], растительные [19] и микробные [24] сообщества. Степень негативного воздействия этих агентов на экосистемы различна и в настоящее время изучена недостаточно. Диоксид серы поражает надземные органы растений вплоть до их полной гибели [19]. При этом накопление тяжелых металлов в почвах приводит как к потере элементов минерального питания [30], так и к поражению растений и микроорганизмов [5, 19, 24].
Свойства природных экосистем характеризуются многообразием структурных и функциональных взаимосвязей, высокой пространственной и временной изменчивостью [28, 36]. В силу этого их корректная оценка может быть дана только in situ, то есть в полевых условиях. Одним из свойств, характеризующих состояние экосистемы в наибольшей степени, является биологическая активность почвы, показателем которой может служить эмиссия СО2 из почвы как наибо-
*Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект 11-04-01794-а, http://eco.soil.msu.ru/carbon) и ОАО "Кольская ГМК".
лее подвижного компонента биологического круговорота.
Эмиссия СО2 из почвы обусловлена преимущественно биологическими факторами и может быть рассмотрена как сумма дыхания микроорганизмов (ДМ) и корней растений (ДК) [7, 34]. Знания о вкладе ДК и ДМ необходимы для расчета баланса углерода и его изменения под действием промышленного загрязнения. В настоящее время нет общепризнанного метода разделения корневого и микробного дыхания почвы. В лабораторных условиях применяется изотопный метод с меткой 13С [13]. Его использование дорогостоящее, к тому же свои ограничения накладывает специфика использования точного оборудования в полевых условиях [13]. По этой причине применяются неизотопные методы интеграции компонентов и субстрат-индуцированного дыхания (СИД) [7]. Их недостатками является сложность оценки как вклада ризосферных микроорганизмов, частично изымаемых вместе с корнями, так и затравочного эффекта, возникающего при нарушении естественного сложения и состава почвы. Зачастую с момента отбора образцов до их анализа проходит продолжительный период, за время которого образцы могут подвергаться иссушению, длительному охлаждению, развитию анаэробных процессов при хранении образцов в
Таблица 1. Характеристика участков мониторинга лесных экосистем в зоне влияния комбината "Североникель"
Тип леса Класс лесных экосистем* Стадия техногенной сукцессии Нарушения напочвенного покрова Расстояние от ГМК, км Обозначение
Ельник кустарничко- Ненарушенные (на- Условно фоновый Нет 64 Е64
во-зеленомошный чального повреждения) тип состояния
Ельник зеленомош- Начального поврежде- Стадия начальной Угнетение лишайников, 28 Е28
но-кустарничковый ния дефолиации появление трав
Ельник Поврежденные Стадия дефолиа- Временное улучшение ку- 24 Е24
кустарничковый ции старничков
Ельник Поврежденные Стадия интенсив- Сильное угнетение ли- 22 Е22
кустарничковый ной дефолиации шайников и мхов
Ельник Поврежденные Стадия интенсив- Временное улучшение во- 20 Е20
кустарничковый ной дефолиации роники
Ельник Сильно поврежденные Стадия интенсив- Исчезновение мхов и чер- 18 Е18
кустарничковый ной дефолиации ники, обилие вороники
Елово-березовое Отмирающие Техногенное ред- Разрушение напочвенного 7 Е7
редколесье колесье покрова; единичные луговик и вороника
Березовое Старый сухостой Переход к техно- Полное разрушение 2.6 Б2.6
редколесье генной пустоши напочвенного покрова
* По шкале категорий жизненного состояния Алексеева [1].
герметичных упаковках, результатом чего может быть гибель части микробного сообщества и его перестройка в целом. В этой связи, как нам представляется, наиболее адекватным способом разделения ДК и ДМ на сегодняшний день является метод СИД в полевой модификации Евдокимова с соавт. [6, 7].
Лесные экосистемы Кольского полуострова в течение многих десятилетий подвержены воздействию атмосферного загрязнения выбросами медно-никелевых комбинатов — крупнейших в Северной Европе источников диоксида серы и тяжелых металлов. Несмотря на детальные исследования реакции микроорганизмов на техногенное загрязнение [2, 4, 5, 31], интенсивность выделения С02 почвами изучена недостаточно, а участие микробного и корневого дыхания неизвестно. В этой связи целью работы была оценка влияния атмосферного загрязнения на почвенное дыхание как общую характеристику биологической активности почвы и вклада почвенных микроорганизмов и корней растений как основных источников образования СО2 в почве в зоне влияния горно-металлургического комбината (ГМК) "Североникель" в Кольской субарктике.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Исследования проводили в июле — августе 2011 г на площадках многолетнего мониторинга, расположенных на удалении 7—64 км в южном направлении от ГМК "Североникель" на Кольском полуострове. Объектами исследования служили подзо-
лы иллювиально-гумусовые экосистем еловых лесов, сформировавшихся в автоморфных позициях ландшафта и представляющих последовательные стадии техногенной сукцессии (табл. 1).
Исследовали также подзолы иллювиально-же-лезистые и абраземы альфегумусовые техногенных пустошей вблизи комбината до и после реме-диации. Ремедиация техногенных пустошей была проведена Федеральным государственным учреждением "Мончегорский лесхоз" по рекомендациям Института проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра РАН при поддержке Кольской ГМК в 2003—2008 гг. с помощью двух методов. В ходе хемо-фитостабилиза-ции (участки Р1.2, Р2.7) осенью проведены посадки ивы и березы с одновременным посевом трав и внесением в исходную почву минеральных удобрений (азофоски) и мелиорантов (извести). На других участках (РН0.9, РН1.2, РН1.7, РН1.9, РН2.5, РН2.8) предварительно создавали искусственный насыпной слой из смеси торфа, опилок, песка, осадка сточных вод, который затем известковали и удобряли. Саженцы отбирали на заброшенных сельскохозяйственных угодьях. Для оценки эффективности ремедиации наряду с обработанными участками исследовали примыкающие к ним техногенные пустоши. На каждом участке определяли вклад ДК и ДМ в эмиссию СО2 из почвы.
Суть полевого метода СИД [7] состоит в определении увеличения дыхания ненарушенной почвы после внесения раствора глюкозы (У^м) в концентрациях на порядок ниже концентрации
сахаров в корнях (не более 3 мг/г почвы), что вызывает рост ДМ, но не ДК [17]. Зная коэффициент увеличения ДМ (кт1с), можно рассчитать долю ДК (Угоо1) и ДМ (Кт1с) в общем потоке СО2 из почвы (V,):
УШеИ + Утс,
Уоо1 + кт1сУт1с, ктю= У21аЪ/У11аЪ,
где У21аЪ — скорость эмиссии СО2 в образце почвы, лишенном корней, с добавлением водного раствора сахара, У11аЪ — скорость эмиссии СО2 в образце почвы, лишенном корней, с добавлением воды.
У1шс = ( У2ЯеИ — УМеИ)/(ктю — 1).
При этом сахароза может использоваться наравне с глюкозой, так как величины ктс для этих сахаров совпадают [6].
В полевых экспериментах проводили определение эмиссии СО2 с поверхности почвы в вариантах: 1) контроль (без Н20 и сахарозы); 2) "водный контроль" (только Н20) и 3) внесение сахарозы (Н20 и сахароза). Сравнение эмиссии СО2 в вариантах 2 и 3 позволило рассчитать долю ДК и ДМ полевым методом СИД.
Эмиссию СО2 в поле определяли камерным динамическим методом с использованием цилиндрических камер диаметром 10.5 см, высотой 10—12 см и глубиной врезания 5—7 см. Камеры (трубы ПВХ) врезали в почву за 1 час до начала эксперимента с тем, чтобы нивелировать всплеск дыхания, вызванный нарушением естественного сложения почвы при врезании. Камеры устанавливали группами по 3 штуки в углах участков 20 х х 20 м с целью захвата максимальной площади исследования. Таким образом, измерения дыхания почвы с поверхности (вариант 1) проводили в 12-кратной повторности. Дыхание почвенных горизонтов измеряли в разрезах в трехкратной по-вторности.
Скорость выделения СО2 из почвы измеряли ИК СО2-газоанализатором AZ 7752, герметично соединенным с переходником с уплотнительной резиновой прокладкой для трубы ПВХ (муфта). Газоанализатор подсоединяли через переходник к верхней части трубы, после чего каждую минуту в течение 6 мин регистрировали концентрацию СО2 внутри камеры и температуру. Для гомогенизации газов внутри камеры был установлен электровентилятор (12 V; 0.08 А). Расчет скорости эмиссии С—СО2 из почвы проводили по формуле Клайперона—Менделеева [12]:
РУ = V КГ,
РУБ(СО2) = V КГ, V = т/Мг, V (С) = V (С02),
т(С-СО2) = [Мг(С)РУБ(СО2)]/[Я7], ^(С-СО2) = [1000 х 60 х 12РУёВ(СО2)]/[8К&т],
где Р — атмосферное давление = 1 атм (1.013 х
5 1
105 кПа) К = 8.314 Дж/(моль К), температура воздуха в камере Г =
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.