Особливості функціонування біогеохімічної системи міграції важких металів в умовах широколистяних лісів Середнього Придніпров'я

Однією з найважливіших екологічних послуг лісових екосистем та міських зелених насаджень є очищення повітря від газоподібних забруднювачів, аерозолів та твердих часток (пилу). Її ефективність може сягати 60%. Водночас забруднене атмосферне повітря може мати негативний вплив на такі екосистеми, що призводить до порушення їх функціонування та стійкості, що своєю чергою становить ризик для ефективного виконання ними вищезазначених екологічних послуг. Найбільш небезпечною групою полютантів для лісових екосистем та зелених насаджень, що надходять з атмосферним повітрям, є важкі метали, які не піддаються перетворенню та здатні накопичуватися у компонентах лісових екосистем. Відповідно тривалий вплив, навіть, на перший погляд невисоких концентрацій важких металів в атмосферному повітрі, здатний викликати фітотоксичні ефекти, що негативно впливатимуть на функціональний стан зелених насаджень. Питанню поглинання важких металів з атмосферного повітря зеленими насадженнями та лісовими екосистемами присвячена значна кількість наукових досліджень. Значно менше уваги приділено наслідкам впливу важких металів атмосферного походження для самих рослин та лісових екосистем. Це пов’язано зі складністю виявлення механізмів такого впливу, особливо у випадку важких металів, оскільки перевищення фітотоксичних рівнів забруднення є рідкісним явищем. Тому для з’ясування поточного стану та встановлення механізмів стійкості лісових екосистем та міських зелених насаджень до впливу забруднення важкими металами необхідно визначити особливості функціонування їх біогеохімічних циклів міграції за різного ступеня антропогенного навантаження.
У представленій роботі проведено кількісну оцінку основних потоків важких металів Cu, Zn, Cd, Ni, Pb та Cr у лісових екосистемах грабових дібров Середнього Придніпров’я з різним ступенем антропогенного впливу та визначено ступінь збалансованості функціонування їх біогеохімічних систем. Такими модельними лісовими екосистемами було обрано об’єкти природно-заповідного фонду України – грабову діброву Національного природного парку «Голосіївський», що є унікальним лісовим масивом у межах мегаполіса міста Києва та Канівський природний заповідник, що є одним з найстаріших лісових заповідників України та, відповідно, представляє умови, максимально наближені до природних.
Метою роботи є оцінка збалансованості потоків біогеохімічних циклів важких металів широколистяних лісів Середнього Придніпров’я на прикладі екосистем грабових дібров об’єктів природно-заповідного фонду України, що зазнають різного ступеня антропогенного впливу.
Для досягнення мети було поставлено та виконано такі завдання:
1. Встановити особливості розподілу важких металів по ґрунтових горизонтах та ґрунтових водах модельних лісових екосистем з метою оцінки їх акумуляції та вертикальної міграції.
2. Визначити концентрації важких металів у складі атмосферних опадів та оцінити їх річні обсяги потоків надходження до модельних лісових екосистем.
3. Визначити особливості динаміки формування та розкладу лісової підстилки з метою оцінки її значення у процесах функціонування системи міграції важких металів «листя-підстилка-ґрунт».
4. Проаналізувати динаміку накопичення важких металів у фітомасі головної деревної породи грабової діброви та провести кількісну оцінку потоків їх надходження у складі листяного опаду до лісової підстилки та ґрунту.
5. Оцінити збалансованість біогеохімічних систем міграції важких металів у модельних лісових екосистемах та визначити екологічні чинники, що визначають особливості їх функціонування.
Об’єктом дослідження є явище забруднення важкими металами лісових екосистем.
Предметом дослідження є особливості функціонування біогеохімічних систем міграції важких металів в умовах грабових дібров Середнього Придніпров’я з різним ступенем антропогенного впливу.
У результаті проведеного дослідження було уточнено особливості розподілу важких металів у ґрунтовій системі модельних грабових дібров Середнього Придніпров’я. Встановлено, що для Cr, Ni та Pb є характерним рівномірний розподіл по ґрунтових горизонтах. Це свідчить про наявність активної вертикальної міграції цих металів та їх вимивання ґрунтовими водами до елювіального шару, що створює умови для поглинання кореневою системою рослин. При цьому за концентрацією Ni у ґрунті модельні лісові екосистеми суттєво не відрізнялися: у НПП «Голосіївський» в гумусовому шарі містилося 11,2±1,1 мг/кг Ni, в елювіальному – 9,6±3,3 мг/кг; в Канівському природному заповіднику у гумусовому шарі ґрунту концентрація Ni становила 8,3±2,1 мг/кг, а в елювіальному – була дещо більше, проте різниця є статистично незначимою – 10,5±3,9 мг/кг. Для Cu була характерна акумуляція у верхньому гумусовому шарі та слабка вертикальна міграція по ґрунтовому профілю, більш виражена в умовах екосистеми Канівського природного заповідника. Концентрація Zn в умовах грабової діброви НПП «Голосіївський» зростала в елювіальному горизонті. Концентрація Cd характеризувалися рівномірним розподілом по ґрунтовому профілю, коли в гумусовому та елювіальному горизонтах його вміст був однаковим. Водночас в умовах екосистеми Канівського природного заповідника спостерігали акумуляцію Zn та Cd у складі гумусового горизонту. За концентрацією Cd в елювіальному горизонті досліджені лісові екосистеми відрізнялися найбільш суттєво, коли в екосистемі НПП «Голосіївський» концентрація металу була у 5,5 раза вищою та дорівнювала 0,22±0,02 мг/кг, проти 0,04±0,01 мг/кг у ґрунті Канівського природного заповідника. У гумусовому шарі відмінності за концентрацією Cd становили 2 рази: в екосистемі НПП «Голосіївський» – 0,20±0,03 мг/кг, в екосистемі Канівського природного заповідника – 0,10±0,01 мг/кг. За абсолютними величинами концентрації досліджених важких металів в умовах модельних лісових екосистем Середнього Придніпров’я перевищення нормативів ГДК небезпечних речовин у ґрунтах не виявлено. Концентрація Cu та Zn відповідала фоновим величинам вмісту для орних ґрунтів України та Європи. Несуттєве перевищення фонових рівнів зафіксовано для Ni та Cd у ґрунтах НПП «Голосіївський». Найбільш суттєве перевищення фонових рівнів виявлено у ґрунтах НПП «Голосіївський» для Pb та Cr.
Вперше застосуванням лізиметричних методів було встановлено, що концентрації всіх важких металів, крім Ni, у ґрунтових водах на глибині 20 см в умовах екосистеми НПП «Голосіївський» були вищими у 1,7-3,1 раза. Найбільші відмінності були характерні для Zn, середня концентрація якого у лізиметричних водах НПП «Голосіївський» становила 24,7±3,0 мг/л, у Канівському природному заповіднику була у 3,1 раза меншою – 7,9±1,0 мг/л. Водночас встановлено, що за потоками вимивання Cu, Cd та Cr з верхніх горизонтів ґрунту досліджені екосистеми грабових дібров суттєво не відрізнялися, що може свідчити про загальні регіональні особливості міграції цих важких металів у сірих лісових ґрунтах лісових екосистем Середнього Придніпров’я. Найбільш суттєві відмінності були характерні для Ni, потік якого до елювіального горизонту в умовах екосистеми Канівського природного заповідника протягом року склав 51 г×га-1×рік-1, що є вищим у 2,9 раза, ніж в умовах екосистеми НПП «Голосіївський», де він складав 18 г×га-1×рік-1. Також в умовах Канівського природного заповідника у 1,6 раза більш інтенсивно проходить вимивання Pb, втрати якого становлять 56 г×га-1×рік-1 проти 35 г×га-1×рік-1 в НПП «Голосіївський». Водночас для екосистеми НПП «Голосіївський» є характерним більш активне вимивання Zn, де протягом року втрати металу становили 270 г×га-1×рік-1, у той час, як в умовах екосистеми Канівського природного заповідника оцінювалися у 209 г×га-1×рік-1.
Вперше проведено оцінку потоків надходження важких металів до лісових екосистем у результаті вологого осадження з атмосфери. Для всіх проаналізованих важких металів обсяги їх надходження з атмосферними опадами показали близькі величини (крім Zn, осаджена кількість якого в умовах НПП «Голосіївський» є у 1,3 раза більшою). Відсутність суттєвих відмінностей для обох досліджених екосистем за обсягами вологого осадження важких металів можна пояснити регіональним атмосферним перенесенням забруднювачів, коли навіть заповідні території піддаються забрудненню техногенними викидами, що може призводити до їх деградації. Даний факт необхідно враховувати при проведенні природоохоронних заходів. Показано, що незважаючи на порівняно низькі концентрації важких металів у складі атмосферних опадів, річні обсяги потоків важких металів характеризуються значним перевищенням величин для фонових територій Європи. При цьому концентрація всіх металів у воді атмосферних опадів, зібраних в НПП «Голосіївський», є у 1,4-2,4 раза вищою. Ймовірно, це пов’язано з більшою кількістю опадів у Канівському природному заповіднику (у 1,7 раза) порівняно з умовами мегаполіса міста Києва, в яких перебуває грабова діброва НПП «Голосіївський» (особливо у зимовий період).
Оцінені річні запаси лісової підстилки грабової діброви Канівського природного заповідника у 1,5-2,0 рази перевищували її обсяги, характерні для екосистеми НПП «Голосіївський». Максимальна маса опалого листя у складі листяного шару в екосистемі НПП «Голосіївський» становила 0,300-0,308 кг/м2 (жовтень-грудень), або 64-67% маси листяного шару. У Канівському природному заповіднику у жовтні-грудні 2021 р. маса опалого листя була майже у 3 рази вищою та становила 0,866-0,920 кг/м2, або 37-55% маси листяного шару, що свідчить про сповільнені у 1,6-1,7 раза процеси розкладання листяного опаду в умовах НПП «Голосіївський».
Аналіз показників мінералізації підстилкового матеріалу за коефіцієнтом інтенсивності розпаду k показав, що в умовах екосистеми Канівського природного заповідника швидкість розпаду підстилки є вищою у 1,5 раза та становить 0,90-1,08 кг/сезон, у той час, як для екосистеми грабової діброви НПП «Голосіївський» коефіцієнт k дорівнював 0,57-0,74 кг/сезон. За показником миттєвого розпаду підстилки k’ швидкість розкладання підстилки в умовах екосистеми Канівського природного заповідника була у 1,6-2,0 рази більше та становила 0,0043-0,0045 кг/день, для екосистеми НПП «Голосіївський» – 0,0021-0,0027 кг/день.
Показано накопичення Cu, Cd, Zn та Ni у молодому листі граба, що свідчить про переважне надходження цих хімічних елементів з ґрунту в процесі кореневого поглинання рослинами. Надалі впродовж вегетаційного сезону відбувається суттєве зниження концентрації даних металів внаслідок росту біомаси листя та «тканинного розведення» початкової кількості накопиченого металу. Водночас на початок вегетаційного сезону у молодому листі граба в умовах обох лісових екосистем концентрація Pb є найменшою, що протягом вегетаційного сезону показує зростання в результаті позакореневого накопичення металу з атмосферних опадів та досягає максимуму в осінній період під час опадання листя. Також зафіксовано додаткове надходження з атмосфери до листяної фітомаси граба Cu в обох лісових екосистемах, Zn – в умовах НПП «Голосіївський», Ni та Cr – в умовах Канівського природного заповідника.
В умовах екосистеми НПП «Голосіївський» у складі опалого листя всі важкі метали, за виключенням Cr, характеризувалися більшими обсягами надходження, у порівнянні з екосистемою Канівського природного заповідника. Найбільш суттєві відмінності були виявлені для Ni. Так, з серпня по грудень 2021 р. до підстилки грабової діброви НПП «Голосіївський» надійшло 7,9±0,7 мг/м2 Ni, водночас у Канівському природному заповіднику ця величина була у 9 разів меншою та становила 0,86±0,10 мг/м2. Також у складі листяного опаду у заповіднику суттєво менше надходить Cu та Cd, що для НПП «Голосіївський» становило 7,99±0,24 мг/м2 та 0,09±0,01 мг/м2 відповідно, а для Канівського природного заповідника – 1,53±0,10 мг/м2 та 0,02±0,01 мг/м2. Водночас надходження Cr з листяним опадом до складу підстилки грабової діброви Канівського заповідника було у 2 рази більшим, ніж до підстилки грабового лісу НПП «Голосіївський» та становило 0,22±0,08 мг/м2 та 0,11±0,04 мг/м2 відповідно.
Аналіз динаміки концентрації важких металів у деревині стовбурів граба показав річну стабільність хімічного складу ксилеми. В умовах екосистеми НПП «Голосіївський» листя граба містило у 8-12 разів вищу концентрацію Ni, ніж у деревині, яка становила 21,3-31,7 мг/кг у біомасі листя та 2,6±0,3 мг/кг у деревині, що може свідчити про транслокацію та активне накопичення металу у листі. Також концентрація Cu у листі граба була вищою у 10-11 разів та становила 23,1-26,8 мг/кг проти 2,3±0,5 мг/кг у деревині. Концентрація Cd та Zn у листі граба також виявилася вище у 4-7 разів та 5-8 разів, ніж рівні накопичення у деревині. Водночас концентрація Pb та Cr у листі та деревині граба суттєво не відрізнялася, що може свідчити про рівномірний розподіл даних металів по органах рослини та/або відсутність їх транслокації. В умовах екосистеми Канівського природного заповідника найбільші відмінності у рівнях накопичення фітомасою листя та деревиною були виявлені для концентрації Zn та Cr, вміст яких у листі був у 9-10 разів вищим, ніж у деревині граба. Зокрема концентрація Zn становила 17,0-24,5 мг/кг у листі та 2,5±0,6 мг/кг у деревині відповідно. Концентрація Cr у листі протягом сезону відповідала діапазону 0,98-1,27 мг/кг у листі та 0,14±0,05 мг/кг у деревині. Також у листяній біомасі граба Канівського заповідника суттєво вищою була концентрація Cd, Ni та Cu, що перевищувала рівні накопичення деревини у 3,8-7,6 разів. Водночас як і в умовах НПП «Голосіївський», Pb був розподілений рівномірно по органах рослини, де його концентрація у листі та деревині дорівнювала 0,69-1,19 мг/кг та 1,19-1,90 мг/кг.
Для екосистеми НПП «Голосіївський» встановлено, що максимальні запаси у деревині були характерні для Zn, що складають 2356±386 г/га. Також у деревині граба було зосереджено високі запаси Pb та Ni, що оцінюються у 1587±137 г/га та 1120±115 г/га відповідно. Запаси Cu становили 986±196 г/га. Найменші обсяги накопичення у деревині були характерні для Cr та Cd, кількість яких складала 337±71 г/га та 28±2 г/га. В екосистемі Канівського природного заповідника деревина граба містила суттєво нижчі обсяги запасів важких металів.
Вперше проведено кількісну оцінку потоків важких металів у складі листяного опаду в екосистемах грабових дібров Середнього Придніпров’я. В умовах екосистеми НПП «Голосіївський» обсяги надходження всіх важких металів у складі опалого листя, за виключенням Cr, були суттєво більшими, у порівнянні з екосистемою Канівського природного заповідника. Найбільші відмінності були характерні для Ni. Так, з серпня по грудень 2021 р. до підстилки грабової діброви НПП «Голосіївський» надійшло 7,9±0,7 мг/м2 Ni, водночас у Канівському природному заповіднику ця величина була у 9 разів меншою та становила 0,86±0,10 мг/м2. Також у складі листяного опаду грабу в умовах екосистеми НПП «Голосіївський» надходження Cu та Cd становило 7,99±0,24 мг/м2 та 0,09±0,01 мг/м2 відповідно, що для Канівського природного заповідника дорівнювало 1,53±0,10 мг/м2 та 0,02±0,01 мг/м2.
Показано, що для всіх досліджених важких металів спостерігається висока збалансованість функціонування біогеохімічних систем грабової діброви Канівського природного заповідника, коли надходження важких металів з атмосферними опадами та опалим листям врівноважено обсягами їх втрат в процесі вимивання вертикальним стоком ґрунтових вод до елювіального шару ґрунту, що свідчить про відсутність затримки та накопичення металів в екосистемі. Роль біологічного компоненту біогеохімічного циклу є незначною, а основні процеси протікають в межах системи «атмосфера-ґрунт».
Встановлено, що екосистема грабової діброви НПП «Голосіївський» характеризується незбалансованістю біогеохімічних циклів Cu, Pb, Zn та Ni. Потоки надходження цих важких металів з атмосферними опадами та листяним опадом не врівноважені їх втратами в процесі вимивання вертикальним стоком ґрунтових вод, що призводить до затримки та накопичення металів в екосистемі. У результаті у функціонуванні їх біогеохімічних циклів більшу роль відіграє біологічна частина системи «ґрунт-рослина», коли від 21% до 73% потоків надходження металів забезпечується листяним опадом.
Причиною накопичення важких металів в екосистемі грабової діброви НПП «Голосіївський» є затримка розкладання лісової підстилки у порівнянні з екосистемою Канівського природного заповідника, темпи мінералізації якої є нижчими у 1,5-2,0 рази. Зниження темпів розкладання підстилки в умовах НПП «Голосіївський» може бути зумовлено накопиченням Cu, Zn, Cd, Pb у концентраціях, величина яких викликає пригнічення мінералізації листяного опаду. Іншим чинником низьких темпів розкладання підстилки є відсутність стійкого снігового покриву взимку в умовах мегаполіса міста Києва та менша у 1,7 раза кількість атмосферних опадів за рік.
У результаті проведеного дослідження:
Вперше в масштабах заповідних екосистем грабових дібров Середнього Придніпров’я різного ступеня антропогенної трансформації проведено комплексні дослідження функціонування біогеохімічних систем міграції важких металів. Визначено ступінь збалансованості їх біогеохімічних циклів, роль біотичних та абіотичних процесів у забезпеченні їх функціонування. Показано, що в екосистемі грабової діброви НПП «Голосіївський», що розташована безпосередньо у густонаселеному районі мегаполіса міста Києва, потоки надходження Cu, Pb, Zn та Ni з атмосферними опадами та листяним опадом не врівноважені з їх втратами в процесі вимивання вертикальним стоком ґрунтових вод, що призводить до затримки та накопичення металів в екосистемі. Встановлено, що причиною такого накопичення важких металів в екосистемі грабової діброви НПП «Голосіївський» є затримка розкладання лісової підстилки у порівнянні з екосистемою Канівського природного заповідника, де її темпи мінералізації є вищими у 1,5-2,0 рази.
Уточнено інформацію про розподіл важких металів у техногенно забруднених та умовно чистих лісових екосистемах Київської агломерації та Середнього Придніпров’я в цілому.
Набули подальшого розвитку знання про закономірності формування та розкладу лісової підстилки як центрального компонента лісових екосистем, що визначає процеси міграції та перерозподілу мікроелементів, отримано нові дані екологічних особливостей міграції та біоакумуляції важких металів в системі «вода‒ґрунт‒біота», що дозволяє прогнозувати стійкість лісових екосистем та міських зелених насаджень до аеротехногенного забруднення.

Тесьолкіна Т.С. Особливості функціонування біогеохімічної системи міграції важких металів в умовах широколистяних лісів Середнього Придніпров’я : дис. ... філософії у галузі природничих наук : 101 Екологія / наук. кер. Д.В. Лукашов. Київ, 2024. 225 с.