научная статья по теме НЕКОТОРЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ КОНЦЕПЦИИ СБАЛАНСИРОВАННОСТИ БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Геология

Текст научной статьи на тему «НЕКОТОРЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ КОНЦЕПЦИИ СБАЛАНСИРОВАННОСТИ БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ»

НЕКОТОРЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ КОНЦЕПЦИИ СБАЛАНСИРОВАННОСТИ БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ © 2015 г. Ю. Л. Мельчаков*, А. Е. Козаренко**, В. Т. Суриков***

*Уральский государственный педагогический университет 620219 Екатеринбург, просп. Космонавтов, 26 e-mail: melchakov_y_l@mail.ru **Московский городской педагогический университет 129226Москва, Сельскохозяйственный проезд, 4 e-mail: emil52@list.ru ***Институт химии твердого тела УрО РАН e-mail: surikov@ihim.uran.ru Поступила в редакцию 17.02.2014 г. Принята к печати 23.04.2014 г.

Рассмотрены теоретические и практические аспекты метода балансов химических элементов в ландшафтах. Доказано, каким образом недоучет атмосферного цикла дает некорректную интерпретацию миграционных процессов и неверный прогноз функционирования геосистем. Рассмотрены результаты оценки эвапотранспирационного массопотока в фоновых таежных ландшафтах Урала. Показано, что эвапотранспирация существенно ослабляет дисбаланс массопотоков.

Ключевые слова: биогеохимические циклы, метод балансов, эвапотранспирация.

DOI: 10.7868/S0016752515030085

ВВЕДЕНИЕ

Начиная с 30-х гг. ХХ в. А.А. Григорьевым (Григорьев, 1934; 1966) подчеркивалась широкая применимость и важное значение метода балансов для понимания функционирования географической оболочки и ландшафтов. В настоящее время расчет балансов химических элементов дает возможность определить тенденции развития географической оболочки и ландшафтной сферы, что улучшает научное прогнозирование. В частности, одним из ключевых звеньев концепции критических нагрузок является балансовый метод, позволяющий оценивать риск избыточного поступления серы в наземные экосистемы (Копцик и др., 2008). Следовательно, метод балансов становится средством управления природными процессами. Балансовый метод широко используется при картографировании как направленный на идентификацию источников подкисления или подщелачивания в геосистеме (Calculation, 1993).

Таким образом, общепризнанно как в теоретическом, так и практическом плане значение метода балансов химических элементов в ландшафтах. Известны неоднократные попытки их определения в отдельных регионах (последние будут рассмотрены ниже).

В современном представлении термин "биогеохимический цикл" используется для качественного и количественного понимания трансформации и перемещения вещества как в природной, так и антропогенно-модифицированной окружающей среде (Башкин, Касимов, 2004).

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 мас-сопотока в другой, а избыточное количество тех или иных химических элементов частично выводиться из миграции в одну из фазовых оболочек (Добровольский, 2003).

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Проведенные на Урале в начале 80-х гг. ХХ в. исследования позволили установить закономерности миграции химических элементов, которые хорошо корреспондировались с известными представлениями об атмосферной, водной и биологической миграции (Мельчаков, 1989).

Были исследованы два ключевых участка горно-таежных ландшафтов Среднего Урала, удален-

475

6*

ные от промышленных центров. Первый — на основных и ультраосновных породах, второй — на кислых. Аналогичные исследования выполнены на двух участках, находящихся в зоне влияния никелевого комбината (оба участка приурочены к ультрабазитам), и на 11 дополнительных участках — фоновых и испытывающих техногенное давление. Комбинат работает в течение более полувека на силикатных никелевых рудах. Основными ингредиентами, выбрасываемыми в атмосферу, являются сернистый газ и пыль. Содержание в пыли водонерастворимых N1 и Со составляет 2.2 и 0.05% соответственно, водорастворимого N1 — 0.02%; другие из рассматриваемых металлов содержатся в меньших количествах.

Приходная часть баланса элементов за зимний период года изучена на основании анализа снежного покрова, пробы которого отбирали под кронами хвойных деревьев и на открытых местах. Применялась стандартная методика.

Для сбора суммарных атмосферных выпадений в теплое время года применяли различные емкости (своеобразные ловушки), заполненные примерно на % объема дистиллированной водой. Исследовали подкроновые пространства и поляны, причем ловушки располагали в соответствии с рекомендациями В.П. Учватова и Н.Ф. Глазовского (Учватов, Глазовский, 1982). Сток по стволам деревьев не учитывали: исходили из предположения, что данный перенос многократно меньше, чем поток, проходящий через кроны. Позднее Р. Баргальи показал, что "величина стока по стволам деревьев на порядок меньше, чем потока сквозь крону" (Баргальи, 2005).

Следует обратить внимание на два обстоятельства: было учтено трансформирующее влияние древесных растений на состав атмосферных выпадений, которые рассматривали как приходную часть баланса элементов за зимний и летний периоды года. Такой подход в отношении выпадений не общепринят. Так, П.В. Елпатьевский подчеркивает: "Трансформированный растительным покровом аэральный поток является полифазным и полигенетическим. Наследуя геохимическую нагрузку потока в приземной атмосфере, лесной покров количественно ее увеличивает за счет более интенсивного извлечения аэрозолей, а качественно — внося в него биогенные компоненты: часть катионов и органические соединения. Поэтому нет оснований рассматривать поток под кронами как "входной", как приходную часть баланса вещества в геосистеме. В какой-то степени его геохимическая нагрузка является продуктом и составной частью внутрисистемного геохимического миграционного цикла" (Елпатьевский, 1993).

Отбор проб поверхностных вод производили с учетом имеющихся требований во все сезоны года, в ряде случаев — по нескольку раз за сезон. Поэтому результаты расчета величин выноса элементов,

основывающиеся на определении химического состава речных вод, охватывают основные гидрологические периоды. Это обстоятельство является важным с точки зрения корректной оценки выноса элементов из ландшафтов — расходной части баланса, которая является результирующей всех природных биогеохимических и антропогенных процессов, происходящих в ландшафтах. Были опробованы реки, а также речки и ручьи, как правило, дренирующие одни и те же типы горных пород, в некоторых случаях — комплексы пород. На тех же участках тайги, где определяли поступление вещества из атмосферы, с учетом имеющихся требований отбирали пробы растений.

В итоге, для решения поставленных задач в 80-х гг. ХХ в. были проанализированы 362 пробы воды. Тяжелые металлы определяли атомно-абсорб-ционным методом на спектрофотометре С-302, ряд определений был выполнен параллельно на спектрофотометре Перкин-Элмер-403. Расчеты одного из непараметрических критериев — Т-кри-терия Уайта показывают, что различие между результатами, полученными на разных приборах, являются статистически недостоверными. Металлы определяли в фильтрате и грубой взвеси, осевшей на фильтрате с порами диаметром 1—2.5 мкм. В фильтрате определены концентрации преимущественно в истинных и коллоидных растворах — условно водорастворимые формы металлов. Во взвеси путем обработки концентрированной соляной кислотой определены кислоторастворимые формы металлов. Также были проанализированы спектральным эмиссионным методом 380 растительных образцов и 132 — почвенных. Общее число элементоопределений — около 8 тысяч. При оценке эвапотранспирации элементный анализ выполнен методом ИСП-масс-спектрометрии.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В кратком изложении результаты сопряженного изучения атмосферной, водной, биологической миграции Мп, Zn, Си, N1, Со, РЬ и выяснения особенностей миграции этих металлов по сезонам года сводятся к следующему.

В изученном регионе вне зон активного техно-генеза цинк, никель, свинец и кобальт, поступающие с атмосферными осадками, в основном водорастворимы, медь, марганец — кислотораствори-мы (табл. 1).

Распределение концентраций водорастворимых тяжелых металлов отвечает нормальному закону. Характерно значительное варьирование концентраций металлов во времени (коэффициенты вариации превышают 50%). Кривые распределения имеют левостороннюю (положительную) асимметрию — наибольшее число вариаций приходится на величины, меньшие среднего

Таблица 1. Взвешенные средние концентрации водорастворимых (77 проб) и кислоторастворимых (11 проб) форм металлов в атмосферных осадках

Содержание металлов, мкг/л Содержание металлов, мкг/л

Элемент водорастворимая форма кислотораствори-мая форма Элемент водорастворимая форма кислотораствори-мая форма

7п 1 14. 5 79 30.4 Мп 1 0.0 37 16.9

Си 1 5.8 35 29.3 РЬ 23.4 >70 <9.8

N1 27.2 >75 <9.2 Со 6. 9 >59 <4.8

Примечания. Приведенные значения характеризуют химический состав трансформированных древостоями осадков. В знаменателе — содержание водорастворимых форм в %.

Таблица 2. Движение масс тяжелых металлов (кг/км2 в год ) в горно-таежных ландшафтах, приуроченных к кислым (1) и основным и ультраосновным породам (2)

Источник Мп 7п Си РЬ N1 Со

1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2

Атмосферное 66000 60000 155000 100000 78000 31000 45000 36000 18000 6500 13000 2600

поступление:

в водорастворимой форме 19000 15000 78000 50000 20000 6000 8300 5300 5100 2300 1200 500

в кислотораство-римой форме 47000 46000 77000 55000 58000 25000 37000 30000 13000 4200 12000 2100

Вынос с речным 23000 12000 24000 14000 7000 3200 3300 2400 3400 14000 2000 6100

стоком:

в водорастворимой форме 13500 3500 15000 13000 3500 2600 1900 1900 2600 14000 1200 5600

в кислотораство-римой форме 9300 8900 8900 1100 3500 600 1400 500 800 600 800 500

Поступление 94000 32000 9100 6600 7000 7200 2400 5200 300 1900 70 80

с опадом

арифметического. Вероятно, это свидетельствует о том, что некоторые высокие значения концентраций элементов являются следствием техногенного загрязнения.

На значительной территории (1000—1500 км), за исключением локальных источников загрязнения, выпадают атмосферные осадки, в среднем незначительно отличающ

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.

Показать целиком