Тесьолкіна, Тетяна СергіївнаТетяна СергіївнаТесьолкінаЛукашов, Дмитро Володимирович2025-02-122025-02-122024-12-30Тесьолкіна 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.https://ir.library.knu.ua/handle/15071834/5852Однією 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.One of the most significant environmental services provided by forest ecosystems and urban green spaces is the purification of air from gaseous pollutants, aerosols, and particulate matter (dust), with an efficiency that can reach up to 60%. However, polluted air can also negatively affect these ecosystems, disrupting their functioning and sustainability, which in turn jeopardizes their ability to continue performing these essential services. Heavy metals represent one of the most dangerous groups of pollutants for forest ecosystems and green spaces. Unlike acid gases, ozone, and organic pollutants, heavy metals cannot be transformed and tend to accumulate in ecosystem components. Prolonged exposure to even low concentrations of heavy metals can lead to phytotoxic effects, negatively impacting the functional state of green spaces. While considerable scientific research has been conducted on the absorption of heavy metals from the air by green spaces and forest ecosystems, most studies focus on the role of trees in improving air quality for human health. Much less attention has been given to the effects of atmospheric heavy metals on the plants and ecosystems themselves. This oversight is largely due to the challenges in identifying the specific mechanisms of heavy metal impact, as phytotoxic levels of pollution are rarely exceeded. Therefore, in order to better understand the current state of forest ecosystems and urban green spaces, as well as their resilience to heavy metal pollution, it is essential to study the functioning of their biogeochemical cycles under varying degrees of anthropogenic pressure. This thesis provides a quantitative assessment of the main fluxes of heavy metals – Cu, Zn, Cd, Ni, Pb, and Cr – within the hornbeam oak forest ecosystems of the Middle Dnipro region, subject to varying degrees of anthropogenic influence. It examines the balance in the functioning of their biogeochemical systems. The hornbeam oak forest of the Holosiivskyi National Nature Park, which is a unique forest area within the Kyiv metropolitan area, and the Kaniv Nature Reserve, which is one of the oldest forest reserves in Ukraine and, accordingly, represents conditions as close to natural as possible, were selected as model forest ecosystems for the purposes of this study. The aim of this study is to evaluate the balance of heavy metal biogeochemical cycles in the broadleaf forests of the Middle Dnipro region, with the hornbeam oak ecosystems within the Nature Reserve Fund of Ukraine serving as a case study. These ecosystems are subjected to varying degrees of anthropogenic impact. In order to achieve the aforementioned goal, the following tasks were set and completed: 1. To assess the distribution of heavy metals in soil horizons and groundwater in order to evaluate their accumulation and vertical migration. 2. To ascertain the concentrations of heavy metals in atmospheric precipitation and to estimate their annual flows to model forest ecosystems. 3. To investigate the distinctive characteristics of forest litter formation and decomposition, with a view to evaluating its role in the functioning of the heavy metal migration system “leaves-litter-soil”. 4. To analyse the dynamics of heavy metal accumulation in the phytomass of the main tree species of the hornbeam oak forest, and to quantify the flows of their supply in the composition of leaf litter to the forest floor and soil. 5. To evaluate the equilibrium of biogeochemical systems governing heavy metal migration in model forest ecosystems, and to identify the environmental factors that determine their distinctive operational characteristics. The object of this study is the phenomenon of heavy metal pollution in forest ecosystems. The subject of the study focuses on the functioning of biogeochemical systems of heavy metal migration in hornbeam oak forests of the Middle Dnipro region, which experience varying degrees of anthropogenic impact. The study yielded insights into the distribution of heavy metals in the soil system of model hornbeam oak forests in the Middle Dnipro region. It was found that Cr, Ni, and Pb exhibit a uniform distribution across soil horizons, suggesting active vertical migration and leaching by groundwater to the eluvial layer, thus enabling their uptake by plant roots. The concentrations of Ni in the soils of the model forest ecosystems did not show significant differences: in Holosiivskyi NNP, the humus layer contained 11.2±1.1 mg/kg of Ni, and the eluvial layer 9.6±3.3 mg/kg. In Kaniv Nature Reserve, Ni concentrations in the humus layer were 8.3±2.1 mg/kg, with slightly higher levels in the eluvial layer, though the difference was not statistically significant – 10.5±3.9 mg/kg. Cu exhibited accumulation in the upper humus layer with limited vertical migration, more pronounced in the Kaniv Nature Reserve ecosystem. Zn concentrations increased in the eluvial horizon of the Holosiivskyi NNP forest, while Cd showed uniform distribution across the soil profile, with similar levels in both the humus and eluvial horizons. However, in the Kaniv Nature Reserve ecosystem, Zn and Cd accumulation was observed in the humus horizon. The greatest differences in Cd concentration between the ecosystems were found in the eluvial horizon, where Cd levels in Holosiivskyi NNP were 5.5 times higher (0.22±0.02 mg/kg) compared to Kaniv Nature Reserve (0.04±0.01 mg/kg). Cd concentrations in the humus layer were also notably different, with 0.20±0.03 mg/kg in Holosiivskyi NNP and 0.10±0.01 mg/kg in Kaniv Nature Reserve. In terms of absolute heavy metal concentrations in the soils of the Middle Dnipro region’s model forest ecosystems, no exceedance of maximum allowable concentrations for hazardous substances in soils was detected. Cu and Zn concentrations aligned with background values for arable soils in Ukraine and Europe. However, slight exceedances of background levels were recorded for Ni and Cd in Holosiivskyi NNP soils, with the most significant exceedances observed for Pb and Cr. For the first time, the use of lysimetric methods has revealed that the concentrations of all heavy metals, except Ni, in groundwater at a depth of 20 cm in the ecosystem of Holosiivskyi NNP were 1.7-3.1 times higher than those in Kaniv Nature Reserve. The most significant differences were observed for Zn, with an average concentration of 24.7±3.0 mg/L in lysimetric waters of Holosiivskyi NNP, which is 3.1 times higher than the 7.9±1.0 mg/L found in the Kaniv Nature Reserve. Despite this, no significant differences were detected between the two ecosystems in terms of the leaching fluxes of Cu, Cd, and Cr from the upper soil horizons. This may suggest general regional characteristics influencing the migration of these metals in the grey forest soils of the Middle Dnipro region. The most pronounced differences were seen in Ni leaching: 51 g×ha-1×year-1 in Kaniv Nature Reserve, which is 2.9 times higher than the 18 g×ha-1×year-1 observed in Holosiivskyi NNP. Pb leaching was also more intensive in the Kaniv Nature Reserve, with a flux of 56 g×ha-1×year-1 compared to 35 g×ha-1×year-1 in Holosiivskyi NNP. However, Zn leaching was more active in Holosiivskyi NNP, where annual metal losses reached 270 g×ha-1×year-1, compared to 209 g×ha-1×year-1 in Kaniv Nature Reserve. This study also provides the first estimation of heavy metal fluxes from wet atmospheric deposition. For most of the metals studied, the volumes of deposition to both ecosystems were comparable, except for Zn, where deposition in Holosiivskyi NNP was 1.3 times higher. The lack of significant differences in wet deposition between the two ecosystems can be attributed to regional atmospheric pollutant transport, indicating that even protected areas are exposed to anthropogenic emissions, potentially leading to their degradation. This finding has important implications for environmental protection measures. In Holosiivskyi NNP, the estimated annual wet deposition volumes were 49.4±8.0 g×ha-1×year-1 for Cu, 2.19±0.41 g×ha-1×year-1 for Cd, 50.8±6.42 g×ha-1×year-1 for Pb, 29.1±4.1 g×ha-1×year-1 for Ni, 67.5±8.2 g×ha-1×year-1 for Cr, and 265.5±36.4 g×ha-1×year-1 for Zn. In the Kaniv Nature Reserve, atmospheric deposition fluxes were 42.2±7.9 g×ha-1×year-1 for Cu, 2.69±0.17 g×ha-1×year-1 for Cd, 49.6±3.0 g×ha-1×year-1 for Pb, 38.75±4.09 g×ha-1×year-1 for Ni, 66.7±6.2 g×ha-1×year-1 for Cr, and 207.2±15.6 g×ha-1×year-1 for Zn. Despite the relatively low concentrations of heavy metals in the atmospheric precipitation of the studied forest ecosystems, the annual fluxes of heavy metals far exceed those recorded in background areas of Europe. Moreover, the concentrations of all metals in precipitation collected in Holosiivskyi NNP were 1.4-2.4 times higher, which is likely due to the lower amount of precipitation in Kyiv compared to the Kaniv Nature Reserve, particularly during winter. The estimated annual forest litter reserves in the hornbeam oak forest of the Kaniv Nature Reserve were 1.5-2.0 times higher than those typical for the Holosiivskyi NNP ecosystem. For example, in December 2021, the maximum litter mass in the Holosiivskyi NNP was 0.929±0.060 kg/m², compared to 1.822±0.080 kg/m² in the Kaniv Nature Reserve. The minimum litter stocks also showed significant differences: in July 2021, the litter volume in the Holosiivskyi NNP was 0.403±0.007 kg/m², while in August 2021, the Kaniv Nature Reserve had 0.601±0.104 kg/m². Furthermore, the maximum mass of fallen leaves in the Holosiivskyi NNP was 0.300-0.308 kg/m² (October-December), or 64-67% of the deciduous layer mass. In contrast, the Kaniv Nature Reserve had a significantly higher leaf mass during the same period, ranging from 0.866 to 0.920 kg/m² (37-55% of the deciduous layer), indicating a 1.6-1.7 times slower leaf litter decomposition in the Holosiivskyi NNP. An analysis of litter mineralization intensity, using the decay rate constant (k), revealed that the litter decay rate in the Kaniv Nature Reserve was 1.5 times higher, at 0.90-1.08 kg/season, compared to 0.57-0.74 kg/season in the Holosiivskyi NNP. Similarly, the instantaneous decomposition rate (k’) in the Kaniv Nature Reserve was 1.6-2.0 times higher (0.0043-0.0045 kg/day) than in the Holosiivskyi NNP (0.0021-0.0027 kg/day). The study demonstrated the accumulation of Cu, Cd, Zn, and Ni in young hornbeam leaves, indicating a predominant uptake of these elements from the soil via root absorption. As the growing season progressed, a significant decrease in metal concentrations occurred due to the increase in leaf biomass and the “dilution” of accumulated metals. Conversely, the concentration of Pb was initially low in young leaves but increased throughout the growing season due to foliar uptake from precipitation, peaking in autumn during leaf fall. Additional atmospheric Cu inputs were detected in hornbeam foliage in both ecosystems, while Zn was notably absorbed in the Holosiivskyi NNP and Ni and Cr in the Kaniv Nature Reserve. All heavy metals except Cr exhibited higher intake levels through fallen leaves in the ecosystem of the Holosiivskyi NNP compared to the Kaniv Nature Reserve. The most significant differences were observed for Ni. From August to December 2021, 7.9±0.7 mg/m² of Ni entered the litter of the Holosiivskyi NNP hornbeam oak forest, while this value was nine times lower in the Kaniv Nature Reserve, amounting to 0.86±0.10 mg/m². Additionally, the leaf litter in the Kaniv Reserve contained significantly less Cu and Cd, at 1.53±0.10 mg/m² and 0.02±0.01 mg/m², respectively, compared to 7.99±0.24 mg/m² and 0.09±0.01 mg/m² in the Holosiivskyi NNP. Conversely, Cr intake via leaf litter was twice as high in the Kaniv Nature Reserve, at 0.22±0.08 mg/m², compared to 0.11±0.04 mg/m² in the Holosiivskyi NNP. An analysis of heavy metal concentrations in hornbeam trunks showed no statistically significant variations throughout the year, indicating the stability of the xylem’s chemical composition. However, significant differences emerged when comparing heavy metal accumulation in the leaves and wood of hornbeam trees. In the Holosiivskyi NNP, Ni concentrations in hornbeam leaves were 8-12 times higher than in the wood, with 21.3-31.7 mg/kg in leaf biomass and 2.6±0.3 mg/kg in wood. This suggests translocation and active accumulation of Ni in the leaves. Similarly, Cu concentrations in leaves were 10-11 times higher, at 23.1-26.8 mg/kg, compared to 2.3±0.5 mg/kg in wood. Cd and Zn concentrations in leaves were 4-7 times and 5-8 times higher than in wood, respectively. In contrast, Pb and Cr showed no significant differences between leaves and wood, indicating either an even distribution of these metals across plant organs or a lack of translocation. In the Kaniv Nature Reserve, the largest differences between leaves and wood were observed for Zn and Cr, with Zn concentrations in leaves 9-10 times higher than in wood (17.0-24.5 mg/kg vs. 2.5±0.6 mg/kg) and Cr concentrations ranging from 0.98-1.27 mg/kg in leaves to 0.14±0.05 mg/kg in wood. Cd, Ni, and Cu concentrations in hornbeam leaves were also significantly higher, exceeding wood concentrations by 3.8-7.6 times. Similar to the Holosiivskyi NNP, Pb was evenly distributed across plant organs, with concentrations of 0.69-1.19 mg/kg in leaves and 1.19-1.90 mg/kg in wood. In the Holosiivskyi NNP, the highest heavy metal reserves in hornbeam wood were found for Zn, with 2356±386 g/ha. Notable reserves of Pb (1587±137 g/ha) and Ni (1120±115 g/ha) were also recorded, while Cu reserves amounted to 986±196 g/ha. The lowest accumulation levels were observed for Cr (337±71 g/ha) and Cd (28±2 g/ha). In the Kaniv Nature Reserve, heavy metal reserves in hornbeam wood were significantly lower. For the first time, the fluxes of heavy metals in leaf litter were quantified in the hornbeam forest ecosystems of the Middle Dnipro region. In the Holosiivskyi NNP ecosystem, all heavy metals, except Cr, exhibited significantly higher amounts in fallen leaves compared to the Kaniv Nature Reserve. The most notable differences were observed for Ni, with 7.9±0.7 mg/m² accumulating in the litter of the Holosiivskyi NNP from August to December 2021, while the corresponding value in the Kaniv Nature Reserve was nine times lower at 0.86±0.10 mg/m². Additionally, the intake of Cu and Cd in the Holosiivskyi NNP ecosystem was 7.99±0.24 mg/m² and 0.09±0.01 mg/m², respectively, compared to 1.53±0.10 mg/m² and 0.02±0.01 mg/m² in the Kaniv Nature Reserve. The study revealed a high balance in the biogeochemical systems of the Kaniv Nature Reserve's hornbeam grove. The supply of heavy metals via atmospheric deposition and leaf litter was offset by their losses through vertical groundwater leaching into the eluvial soil layer, indicating no significant retention or accumulation of metals in the ecosystem. In this system, the biological component plays a minimal role, with the primary processes occurring within the atmosphere-soil system. Conversely, the Holosiivskyi NNP hornbeam ecosystem exhibited an imbalance in the biogeochemical cycles of Cu, Pb, Zn, and Ni. The inflows of these heavy metals from atmospheric deposition and leaf litter exceeded their losses through leaching, leading to metal retention and accumulation within the ecosystem. As a result, the biological component, particularly the soil-plant system, plays a more prominent role in the biogeochemical cycles, with leaf litter accounting for 21% to 73% of the total metal fluxes. The accumulation of heavy metals in the Holosiivskyi NNP ecosystem is linked to delayed forest litter decomposition compared to the Kaniv Nature Reserve, where mineralisation rates are 1.5 to 2 times higher. This slowdown in litter decomposition in the Holosiivskyi NNP could be attributed to elevated concentrations of Cu, Zn, Cd, and Pb, which may inhibit litter mineralisation. Furthermore, the lack of stable snow cover in winter and 1.7 times lower annual precipitation in the Kyiv metropolis are additional factors contributing to slower litter decomposition. For the first time, comprehensive research on the functioning of biogeochemical systems governing heavy metal migration was conducted within protected ecosystems of hornbeam oak forests in the Middle Dnipro region, representing different levels of anthropogenic transformation. The study identified the degree of equilibrium in their biogeochemical cycles and assessed the roles of biotic and abiotic processes in maintaining these cycles. It was demonstrated that in the hornbeam forest ecosystem of the Holosiivskyi National Park, situated within the densely populated Kyiv metropolitan area, the inputs of Cu, Pb, Zn, and Ni from atmospheric precipitation and leaf litter are not balanced by their losses through vertical groundwater leaching. This imbalance results in the retention and accumulation of these metals in the ecosystem. The delayed decomposition of forest litter in the Holosiivskyi NNP, compared to the Kaniv Nature Reserve – where litter mineralisation rates are 1.5-2.0 times higher – was identified as the primary reason for this metal accumulation. The study also clarified the distribution patterns of heavy metals between technogenically polluted and relatively pristine forest ecosystems within the Kyiv agglomeration and the broader Middle Dnipro region. Additionally, the research expanded knowledge on the formation and decomposition of forest litter as a crucial component of forest ecosystems that influences trace element migration and redistribution. New data on the ecological processes governing heavy metal migration and bioaccumulation within the water-soil-biota system were obtained, providing insights into the resilience of forest ecosystems and urban green spaces to anthropogenic pollution.ukВажкі метализабрудненнялісові екосистемиґрунтпідземні водиатмосферий пилпідстилкалистяний опадмінералізаціяфітомасафітотоксичністьбіодоступність та біоакумуляціякореневе поглинанняекологічний стреспаркові насадженняміські ландшафтиприродно-заповідний фонд Heavy metalspollutionforest ecosystemssoilgroundwateratmospheric dustlitterlitterfallmineralizationphytomassphytotoxicitybioavailability and bioaccumulationroot absorptionenvironmental stresspark plantingsurban landscapenature reserve fundДисертація