ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ КИСЛОТНЫХ ОСАДКОВ НА ЭКОСИСТЕМЫ ЗОНЫ ХВОЙНО- ШИРОКОЛИСТВЕННЫХ ЛЕСОВ

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ КИСЛОТНЫХ ОСАДКОВ НА ЭКОСИСТЕМЫ
ЗОНЫ ХВОЙНО- ШИРОКОЛИСТВЕННЫХ ЛЕСОВ
Дороничева Е.В., Мартынюк А.А.
(ФГУ ВНИИЛМ, г. Пушкино, Московской области, РФ)
Study results of simulated acid rainfalls effects on tree species and ecosystem soils in coniferous and broadleaved forest zone and maximum allowable acid load estimates for pine and
birch ecosystems.
Кислотные осадки, непосредственно связанные с аэротехногенным загрязнением
окружающей среды, могут оказывать как прямое влияние на надземные части деревьев,
так и действовать косвенно на лесные экосистемы через изменение лесорастительных
условий. Причиной таких осадков являются эмиссии диоксида серы и оксидов азота,
которые трансформируясь в атмосфере, преобразуются в кислоты и становятся источником дополнительного поступления ионов водорода, изменяющих величину рН естественных выпадений. По имеющимся данным, в геохимически чистых зонах основной
вклад в кислотность осадков вносит диоксид углерода (до 80%), а суммарный вклад серной и азотной кислот составляет около 10%; в индустриально-развитых районах 60%
кислотности обуславливается серной кислотой, 30%- азотной, 5%- соляной и только 2% диоксидом углерода. В Западной Европе кислотность осадков на 68% обуславливается
диоксидом серы, 30%- оксидами азота и 2% - хлорводородом .
Как правило, в фоновых районах Земли (Антарктида, Гренландия) наблюдаются
слабокислые осадки- 5,2-5,5 ед. рН. Известно, что природные концентрации диоксида
серы при отсутствии щелочных агентов (аммиак, углекислый кальций) в условиях чистой атмосферы над океанами могут обеспечивать кислотность дождевых осадков до 4,5
ед. рН. Над континентами, где повсеместно присутствует пыль и аммиак, фоновые величины рН осадков повышаются.
Закисление среды в восьмидесятых годах прошлого века привело к возникновению
обширных зон со средневзвешенными по объему значениями рН осадков 4,1 и ниже на
Северо-Западе США. В то же время в Северной части Германии, Нидерландах, Дании,
Юге Норвегии и Швеции средневзвешенная по объему осадков кислотность составляла
4,1-4,3 ед. рН. Значительная часть территории России характеризуется значениями рН
снежного покрова 5,5-7,5. Области повышенной кислотности (рН =4,5-5,5) наблюдаются
на Севере ЕТР, а также в ряде промышленных районов с развитой цветной металлургией
(Никель, Мончегорск, Карабаш, Челябинск, Медногорск) и нефтехимией (Пермь, Уфа).
Наблюдениями Роскомгидромета установлено, что из 138 городов России очень кислые
осадки с величиной рН 3,5-4,5 наблюдались в 3% случаев; рН 4,6-5,6 - 20%; рН 5,6-7,5 70%, более 7,5 - 7% . На протяжении многих лет устойчивое подкисление природных
осадков наблюдается вдоль западных границ России, а также в регионах с развитой промышленностью (восток Урала, запад Таймыра, центральные районы, район оз. Байкал),
где в отдельные периоды встречались осадки с рН 3,5. Основным кислотоопределяющим анионом в этих районах является сульфат-ион, хотя с 1997 г., видимо, из-за снижения валовых объемов выбросов диоксида серы, в подкислении осадков начала возрастать роль азотной кислоты.
О влиянии кислотных осадков на растения нет однозначных мнений. Считается, что
воздействие кислых осадков приводит к уменьшению длины и биомассы боковых корней, площади кроны, замедлению прироста по площади поперечного сечения ствола, ослаблению функций питания и поглощения питательных веществ, что содействует угнетению роста леса. Вместе с тем, при небольших по интенсивности воздействиях никаких внешних изменений не происходит, и положительное или отрицательное действие
кислотных дождей на показатели продуктивности леса не является однозначным и очевидным (Смит У.Х.; Устинова Е.Н.). Вопрос о пределах устойчивости экосистем к подкислению и сегодня остается одним из наиболее актуальных в комплексе разносторонних проблем взаимодействия атмосферных загрязнений и растительности, в связи с чем
попытки оценки реакции лесных экосистем на поступающие из атмосферы кислотообразующие поллютанты и определение величины допустимого их воздействия имеют
важное научное и практическое значение.
С целью уточнения закономерностей влияния кислотных осадков на лесные деревья и экосистемы нами была проведена серия экспериментов по обработке саженцев и
подроста древесных пород (сосна, береза), а также лесных почв зоны хвойношироколиственных лесов искусственными осадками разной степени кислотности. При
этом в полевых условиях изучали влияние имитированных кислотных осадков, представленных растворами серной кислоты с различной величиной рН (рН=1,5-4,5 ед.) на
древесные растения. В лабораторных модельных экспериментах исследовано влияние
растворов серной кислоты разной величины рН и интенсивности на монолиты почв
(высота 16-20 см, диаметр 13 см), отобранных в наиболее распространенных типах леса
Московской обл. Расчет величины кислотных нагрузок проводили в соответствии со
среднемноголетней нормой осадков в регионе.
Изучение морфологического состояния листьев и фенологических особенностей
развития подроста показывает, что ассимиляционный аппарат березовых насаждений
достаточно устойчив к кислотным осадкам. Кислый дождь приводил к повреждению
листовой пластинки только при кислотности 1,5 ед. рН. Средние и слабокислые осадки
(рН 3,5 и выше), даже при постоянном выпадении в пределах одного сезона, не вызывали ожегов листьев. Кислотные обработки с рН=1,5 и 2,5 ед. снижали средний линейный
прирост побегов на 12-16%. По результатам исследований ВНИИЛМ, в некоторых местах Московской области 56% выпадающих осадков имеют повышенную кислотность,
превышающую 5,5 ед. рН, их них только 4% - с рН 3,9-3,5. Сопоставление чувствительности ассимиляционного аппарата березы с фактической кислотностью дождевых
осадков приводит к выводу о весьма низкой вероятности прямого повреждения березовых древостоев региона кислотными выпадениями. Основные нарушения жизнедеятельности березовых экосистем могут быть связаны с продолжительным влиянием кислотных осадков на физико-биохимические процессы в организме и опосредованным
воздействием через изменение условий местопроизрастания из-за нарушения свойств
лесных почв.
Аналогичные выводы были сделаны при изучении влияния кислотных осадков на
чувствительность сосновых саженцев.
Искусственная обработка дерново-подзолистых почв кислотными растворами показала, что для всех исследуемых почв характерно нелинейное снижение рН растворов,
фильтрующихся из верхних горизонтов почвенных монолитов: после первого этапа
снижения (три-четыре обработки) наблюдается некоторая стабилизация на новом количественном уровне, и более устойчивое снижение после 30 обработок на суглинистых
почвах и 10 обработок на супесчаных. Интенсивность снижения рН фильтрата зависит
от механического состава почвы. Так в супесчаной почве величина снижения фильтрата
при обработке раствором с рН 2,5 ед. составляет в среднем 1,5 ед, на суглинистой – 0,5
ед рН. Умеренно кислые осадки (рН 3,5-4,5 ед. рН) снижают рН почвенных фильтратов в
среднем на 0,5-1,0 ед. рН. Вторичное подкисление фильтратов в вариантах с рН 2,5-3,5
наблюдается после 15-20 обработок, когда запас мобилизуемых обменных оснований истощается, и в действие вступает алюминиевая буферная зона. При обработке почв слабокислыми растворами с рН 4,0-5,0 рН снижение рН фильтратов по сравнению с контролем минимально и происходит постепенно, без резких скачков.
Кислотные обработки верхних горизонтов дерново-подзолистых почв свидетельствуют о достаточно устойчивой зависимости, за исключением железа, между кислотностью обработок и концентрацией элементов (кальция, магния, алюминия) в фильтрующихся из почвы растворах. При этом, как правило, вынос веществ из суглинистой почвы выше, чем из супесчаной. Наиболее интенсивно
выщелачивание кальция, магния и алюминия в дерново-подзолистых супесчаных
и песчаных почвах происходит при обработке очень кислыми растворами с рН
2,0- 2,5, что способствует обеднению ими корнеобитаемой зоны растений.Значимые различия от контроля по суммарному выносу изученных элементов начинаются с обработок с рН=3,5.
Кислотные осадки в объеме годовой- полуторагодовой нормы могут вызывать
существенные изменения катионообменных свойств почв, прежде всего суммы их обменных оснований, степени насыщенности основаниями и гидролитической кислотности. При этом, большое значение в чувствительности почв к подкислению имеет их механический состав и содержание органического вещества. Изменение содержания обменных форм азота и фосфора в почвах при проведенном режиме кислотных обработок
характеризовалось неоднозначной реакцией, уменьшаясь в одних случаях и увеличиваясь в других. Вероятно, их реакция на кислотное воздействие является интегральным соотношением процессов, протекающих в почвах- миграция веществ, нитрификация и денитрификация, взаимодействие осадков с органической и минеральной частью почвы.
Эксперименты с обработкой почвенных монолитов кислотными осадками позволили нам обосновать величину предельно- допустимых (критических) нагрузок (ПДН)
кислотообразующих соединений для лесов региона, в кг/ га в год:
Сосновые насаждения:
- насаждения на песчаных почвах
- зеленомошниковые на супесчаных почвах
- брусничные и кисличные на супесчаных
почвах
- черничные на супесчаных почвах
- сложные на супесчаных почвах
- сложные на тяжелосуглинистых почвах
Березовые насаждения:
- на песчаных почвах
- на суглинистых почвах
Н+
S
N
0,2
0,3
4,0
5,0
3,5
4,0
0,4
7,5
6,5
0,8
0,6
1,0
13,0
9,0
15,5
11,5
8,0
13,0
0,5
0,7
9,0
11,0
8,0
9,0
Согласно расчетам, величины допустимой протонной нагрузки колеблются,
в зависимости от типов сосновых насаждений, в пределах 0,2 – 1,0 кг/ га, нагрузки по сере - от 4 до 16 кг/га, по азоту - от 4 до 13 кг/га в год. Для березняков
допустимая протонной нагрузка составляет 0,5-0,7 кг/га, нагрузки по сере - 911 кг/га, азоту – 8-9 кг/га. Полученные нами значения ПДН близки уровню величин, принятых в европейских странах.