УДК 577.486:634.9

Е. О. Тагунова, Н. Н. Цветкова

Днепропетровский национальный университет имени О. Гончара, Днепропетровск, Украина

Концентрация, миграция и аккумуляция
тяжелых металлов (следовых элементов) в биогеоценозах приводораздельно-балочного ландшафта
степной зоны Украины

Изучение закономерностей поведения тяжелых металлов (следовых элементов, микроэлементов) в природных ландшафтах является актуальной проблемой как в фундаментальном экологическом, так и в природоохранном аспекте. Как известно, тяжелыми металлами называют группу химических элементов с атомной массой больше 50 а. е. м., которые содержатся в организмах живых существ в микроколичествах, однако являются необходимыми для протекания важнейших процессов их жизнедеятельности. Вместе с тем, избыточное накопление данных элементов в биологических объектах и средах их существования приводит к крайне негативным последствиям, ставящим под угрозу как функционирование биогеоценозов, так и стабильность биосферы в целом. Таким образом, целесообразно вести речь не об опасных элементах, а об опасных концентрациях: в случае чрезмерного содержания элемента для живых организмов он рассматривается как «тяжелый металл», однако термины «тяжелые металлы» и «микроэлементы» (в современной англоязычной литературе – «следовые элементы») в данной работе являются синонимичными.

Предметом исследования являлась концентрация, миграция и аккумуляция микроэлементов в биогеоценозах приводораздельно-балочного ландшафта степной зоны Украины на примере Марганца и Меди – эссенциальных элементов, относящихся к первому (Mn) и второму (Cu) классам экологической опасности.

Работа проводилась на базе Присамарского международного биосферного стационара имени А. Л. Бельгарда (Новомосковский район Днепропетровской области, Украина), находящегося в условно экологически чистом районе в пределах степной зоны Украины. Объектами исследования послужили естественные биогеоценозы приводораздельно-балочного ландшафта – байрачные пакленовые и чернокленовые дубравы и степные целинки. Выбор объектов обусловлен необходимостью всестороннего изучения лесных биогеоценозов степной зоны Украины с целью создания стойких лесных насаждений в регионе исследований, учитывая доказанное позитивное пертинентное (средопреобразующее) воздействие лесных биогеоценозов на жесткий климат степи.

С целью изучения закономерностей поведения микроэлементов в естественных биогеоценозах приводораздельно-балочного ландшафта определялась концентрация металлов в их итоговом компоненте – почвенном покрове. Содержание микроэлементов устанавливалось методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии, в качестве экстрагента использовалась концентрированная азотная кислота.

В расположенном в пределах исследуемого ландшафта байраке «Войсковом» были исследована природные биогеоценозы – байрачные леса южного географического варианта, находящиеся в засушливой части области (420–450 мм осадков в год). Лесные биогеоценозы представлены пакленовыми (средняя, нижняя треть склонов байрака и тальвег) и чернокленовыми (верхняя треть склона) дубравами.

Особенности распространения микроэлементов в почвах исследовались в данном байраке также в сопряженных типах биогеоценозов экологического ряда по гигротопу и трофотопу. Чернокленовая дубрава – верхняя третья склона в 16 ° северной экспозиции. Почва – чернозем лесной, сильновыщелоченный, сильнолессивированный, среднегумусный на среднесуглинистых делювиальных отложениях. Пакленовая дубрава со снытью – средняя треть склона в 3 ° северной экспозиции. Почва – чернозем лесной, выщелоченный, слаболессивированный, среднегумусный, среднесуглинистый на делювиальных отложениях. Свежие пакленовые дубравы – нижняя треть склона в 30 ° южной экспозиции. Почва – чернозем лесной, слабовыщелоченный, слаболессивированный, малогумусный, среднесуглинистый на лессовидных суглинках. Чернокленовые дубравы – верхняя и средняя треть склона южной экспозиции. Почва – чернозем лесной, карбонатный, среднегумусный, среднесуглинистый на лессовидных суглинках.

В байраках южного географического варианта на интенсивно эродированных южных склонах часто находятся степные целинки. Их почвенный покров многократно анализировался параллельно с почвами дубрав этих же склонов в целях выяснения влияния леса на почвы в условиях эродированных склонов степной Украины.

Абсолютное валовое содержание микроэлементов в почвах лесных биогеоценозов байрака «Войсковой» представлено в табл. 1, относительное (коэффициент соотношения почва – почвенная порода) – в табл. 2.

Таблица 1

Среднестатистическое валовое содержание микроэлементов в почвах биогеоценозов байрака «Войсковой»

БГЦ	Местополо-жение БГЦ	Почва	Гори-зонт, см	Микроэлементы, мг/кг
				Mn	Cu
Чернокле-новая дубрава с ежой	Верхняя треть склона с/э	Чернозем лесной, сильновыщелоченный, сильнолессивирован-ный, среднегумусный	0–20	1460	18
			45–55	1610	20
			110–120	1170	20
			180–200	1000	9
Паклено-вая дуб-рава со снытью	Средняя треть склона с/э	Чернозем лесной, выщелоченный, слаболессивированный, среднегумусный	0–25	1000	17
			70–80	1020	20
			130–140	970	18
			200–210	840	20
Паклено-вая дуб-рава со снытью	Нижняя третья склона с/э	Чернозем лесной, слабовыщелоченный, среднегумусный	0–25	1150	16
			60–65	690	16
			80–90	753	16
			140–150	640	14

Окончание табл. 1

БГЦ	Местополо-жение БГЦ	Почва	Гори-зонт, см	Микроэлемен-ты, мг/кг
				Mn	Cu
Паклено-вая дуб-рава с широко-травьем	Тальвег	Лугово-лесная, среднегумусная, суглинистая	0–10	1040	14
			45–55	1000	15
			120–130	730	14
Паклено-вая дуб-рава	Нижняя треть склона ю/э	Чернозем лесной, слабовыщелоченный, малогумусный	0–25	880	13
			45–55	930	15
Чернокле-новая дубрава	Средняя треть склона ю/э	Чернозем лесной, карбонатный, среднегумусный	0–25	1100	16
			70–80	840	17
			150–160	850	17
Степная целина	Средняя треть склона ю/э	Чернозем обыкновенный, среднесмытый, карбонатный	0–20	800	18
			60–70	700	18
			150–160	700	19
Чернокле-новая дубрава	Верхняя треть склона ю/э	Чернозем лесной, карбонатный, среднегумусный, среднесуглинистый	0–20	620	15
			40–50	500	13
			140–150	530	19
Степная целина	Верхняя треть склона ю/э	Чернозем обыкновенный, среднесмытый	0–15	670	15
			40–50	360	14
			140–150	460	12

Таблица 2

Относительное содержание микроэлементов (К_СПП) в почвах биогеоценозов байрака «Войсковой»

БГЦ	Местополо-жение БГЦ	Почва	Гори-зонт, см	Микроэлемен-ты, мг/кг
				Mn	Cu
Чернокле-новая дуб-рава с ежой	Верхняя треть склона с/э	Чернозем лесной, сильновыщелоченный, сильнолессивирован-ный, среднегумусный	0–19	1,46	2,0
			19–50	1,60	2,26
			50–118	1,17	2,30
			118–200	1,0	1,0
Паклено-вая дуб-рава со снытью	Нижняя третья склона с/э	Чернозем лесной, слабовыщелоченный, среднегумусный	0–22	1,8	1,08
			22–60	1,08	1,08
			60–90	1,18	1,08
			90–200	1,0	1,0

Окончание табл. 2

БГЦ	Местополо-жение БГЦ	Почва	Гори-зонт, см	Микроэлемен-ты, мг/кг
				Mn	Cu
Паклено-вая дуб-рава с широко-травьем	Тальвег	Лугово-лесная, среднегумусная, суглинистая	0–10	1040	14
			45–55	1000	15
			120–130	730	14
Паклено-вая дуб-рава	Нижняя треть склона ю/э	Чернозем лесной, слабовыщелоченный, малогумусный	0–27	0,94	1,46
			27–58	1,0	1,62
			58–180	1,0	1,0
Чернокле-новая дубрава	Средняя треть склона ю/э	Чернозем лесной, карбонатный, среднегумусный	0–20	1,30	0,94
			20–72	0,95	1,01
			72–200	1,0	1,0
Степная целина	Средняя треть склона ю/э	Чернозем обыкновенный, среднесмытый, карбонатный	0–20	1,1	0,95
			20–90	1,0	1,0
			90–200	1,0	1,0

Относительное содержание микроэлементов в почвах исследованного байрака свидетельствует о практически равномерном распределении Марганца и Меди по профилю чернозема обыкновенного среднесмытого и лугово-лесных почв тальвега. Кроме того, Марганец незначительно аккумулируется за счет ведущего биогенного фактора из трех, влияющих на его накопление: механическая денудация, выщелачивание и биогенная аккумуляция. В черноземе лесном Марганец значительно накапливается в верхних горизонтах, причем на южных склонах аккумуляция его наблюдается меньше, чем на северных, что также подтверждает преобладание биогенного фактора над другими в процессе перераспределения Марганца в почве.

В черноземе лесном слаболессивированном максимум микроэлементов отмечен в иллювиальном горизонте; в карбонатном – максимум смещается в верхний гумусовый горизонт; в выщелоченном и слаболессивированном горизонтах распределение Меди относительно равномерное (незначительно возрастает по профилю в породе), максимум наблюдается в почвообразующей породе. Максимальное количество Марганца приурочено к верхним горизонтам почвы – горизонтам накопления гумусовых веществ.

Сравнение экспериментальных данных по содержанию Марганца и Меди в гумусированном почвенном слое и породе почв байрачных биогеоценозов – К_СПП – свидетельствует о повышенном содержании Марганца (К_СПП = 1,2–1,5) и Меди (К_СПП = 0,9–2,1) в почвах северного склона (в почвах южного склона К_СПП соответственно равен 0,9–1,1 и 1,0–1,5).

Как видно, благодаря свето-, педо- и микроклимату с соответствующими типами биогеоценозов формируется своеобразный конкретный состав почва в байраках по содержанию микроэлементов, причем дубравы склонов северных экспозиций, по сравнению с южными, формирует почвы с повышенным содержанием микроэлементов.

Облесение балок и рациональное использование байрачных лесов требуют тщательного исследования свойств почв существующих естественных лесных биогеоценозов в байраках, в число которых входит и микроэлементный состав. Существующие в пределах байраков степные и лесные биогеоценозы позволяют исследовать микроэлементный состав их почв и выяснить влияние леса на количественное содержание следовых элементов в почвах. Полученные данные могут быть использованы для создания стойких лесных насаждений в степной зоне.

Литература

1. Алексеев Ю. В. Тяжелые металлы в почвах и растениях / Ю. В. Алексеев. – Л.: Агропромиздат, 1987. – 142 с.

2. Бельгард А. Л. Искусственный лес в степи в биогеоценотическом освещении / А. Л. Бельгард // Вопросы степного лесоведения и лесной рекультивации земель. – 1986. – С. 21–26.

3. Битюцкий Н. П. Микроэлементы и растение / Н. П. Битюцкий. – СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 1999. – 232 с.

4. Кабата-Пендиас А. Микроэлементы в почвах и растениях / А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас. – М.: Мир, 1990. – 439 с.