1Исаева Л.Г., 1Сухарева Т.А., 2Корытная О.П.

1Институт проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН, Апатиты, Россия

2Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья И.В. Тананаева  КНЦ РАН, Апатиты, Россия

Field tests of improvers are carried out on the basis of serpentinite-magnesite Halilovsk magnesite deposits. Sheet diagnostics of needles of fur-trees has allowed to establish, that thermoactivated serpentinite promotes increase in the contents of calcium and magnesium and decrease in concentration of heavy metals in needles of fur-trees.

В настоящее время специфика функционирования бореальных лесов, широко представленных в России, определяется, с одной стороны, сложившимися природными механизмами, а с другой стороны - продолжительным и интенсивным действием антропогенных факторов. В условиях распространяющегося аэротехногенного загрязнения поиск путей поддержания жизнеспособности и восстановления лесов, несущих средообразующую, сырьевую и социальную функции, приобретает особую актуальность.

В Мончегорском и Печенгском районах Мурманской области выявлены значительные территории с поврежденными лесами, возникновение которых обусловлено аэротехногенным воздействием. Вокруг медно-никелевых комбинатов - основных загрязнителей природной среды на Севере России - идентифицируются четыре основных стадии дигрессионной сукцессии лесных экосистем: фоновые леса ® дефолиирующие леса (стадии начальной, интенсивной и затухающей дефолиации) ® техногенные редколесья ® техногенные пустоши [1]. Одной из основных причин повреждения лесов в условиях распространяющегося аэротехногенного загрязнения является нарушение их питательного режима. Обычно как объекты первоочередного восстановления рассматриваются полностью разрушенные лесные экосистемы, непосредственно примыкающие к  источникам загрязнения - техногенные редколесья и техногенные пустоши.

В действительности лесные экосистемы под влиянием воздушного промышленного загрязнения подвергаются различным нарушениям на значительно большей по площади территории. В дефолиирующих лесах, где доминируют растения, преждевременно теряющие ассимилирующие органы, располагающихся на некотором удалении от источников загрязнения и занимающих площади, значительно превышающие площади техногенных пустошей, происходят следующие серьезные нарушения питательного режима: 1) возрастает кислотность почв и почвенных растворов и интенсифицируется выщелачивание элементов питания (Ca, Mg, Mn, Zn) из почв; 2) наблюдается дисбаланс питания ели, сосны, а также бореальных кустарничков, выражающийся  в обеднении ассимилирующих органов, вплоть до дефицита, Ca, Mg, Mn, Zn и обогащении наиболее мобильными элементами (N, K, P), а также поллютантами (S, Ni, Cu) [1,2]. Установлено, что дефолиирующие леса нуждаются в оптимизации питательного режима, в первую очередь, в компенсации Ca, Mg, Mn, Zn. Кроме того, ориентируясь на уровни обеспеченности элементами питания для  хвойных пород, следует заключить о дефиците N. Эта компенсация может быть осуществлена путем внесения недостающих элементов питания в почву. При разработке проблемы реабилитации лесных территорий методом оптимизации питательного режима почв важным моментом является выбор удобрений и мелиорантов.

Результаты предыдущих исследований показали, что наиболее эффективными для оптимизации питательного режима лесных экосистем являются удобрения и мелиоранты пролонгированного действия [1,3,4,5]. В данной работе приводятся предварительные результаты по использованию нетрадиционных мелиорантов, изготовленных на основе серпентинсодержащих вскрышных пород Халиловского магнезитового месторождения (Оренбургская обл.). На предприятии ОАО "Оренбургский магнезит" организован выпуск термоактивированного серпентинита-магнезита. Свойства данного материала позволяют использовать его для иммобилизации тяжелых металлов, снижения кислотности растворов и в качестве источника таких элементов питания растений, как Са и Mg. Вид и состав серпентинита представлены в таблице.

В июне 2005 года на трех экспериментальных участках полигона в ельнике злаково-кустарничковом дефолиирующего состояния, расположенном в 25 км на ЮЗ от г. Мончегорска, был равномерно внесен серпентинит. Перед внесением мелиоранта на экспериментальных и контрольном (без внесения удобрения) участках под органогенный горизонт были установлены лизиметры на глубину 5 см, в течение вегетационных периодов 2005 и 2006 гг. один раз в месяц отбирались почвенные воды для определения pH и химического состава. Перед внесением серпентинита и в конце вегетационного периода 2006 года на всех участках были отобраны пробы органогенного горизонта почвы и  хвои.

Таблица  Условия внесения мелиорантов

При исследовании влияния серпентинита на кислотность органогенного горизонта выявлено, что серпентинит во всех примененных формах снижает актуальную, гидролитическую и обменную кислотность органогенного горизонта почвы в дефолиирующем ельнике злаково-кустарничковом. Установлено, что обожженный серпентинит при дозе внесения 0.4 кг/м² по сравнению с другими вариантами более эффективно снижает актуальную, гидролитическую и обменную кислотность органогенного горизонта почвы в межкроновых пространствах, в подкроновых пространствах разница в эффекте незначительная.

Предварительные результаты влияния серпентинита на общее содержание азота, углерода и доступность других элементов в органогенном горизонте показали, что следствием внесения сырого серпентинита (0.2 кг/м²) явилось повышение под кроной содержания N, доступных форм Mg (в 2.9 раза), Na, Al, Fe, Ni (в 2.6 раза), Cu (в 1,2 раза), S; снижение С и доступных форм Mn (в 1,2 раза), показатели фосфора остались на прежнем уровне. В органогенном горизонте межкронового пространства увеличились концентрации С, доступных соединений таких элементов, как Са (в 1,6 раз), Mg (в 5 раз), K - незначительно, Ni (в 3 раза) и Cu (в 1,5 раза), произошло снижение Mn (в 1,7 раза), Fe, S.

В опыте с обожженным серпентинитом (0.2 кг/м²) отмечено значительное изменение по сравнению с июнем 2005 года содержания в органогенном горизонте (под кроной) соединений почти всех исследуемых элементов. Увеличились С, N, доступные соединения элементов Са, К (в 1,2 раза), Mg (в 5,6 раз), Mn (в 10,9 раз), Р, Na, Al (в 1,3 раза), Fe, Ni (примерно в 4 раза), Cu (в 2 раза), Zn остался на прежнем уровне. В межкроновом пространстве произошло существенное увеличение N (в 9 раз) и доступных форм Al (в 8,8 раза). При повышении дозы до 0.4 кг/м² под кроной в органогенном горизонте происходит повышение по сравнению с состоянием «до внесения» содержания C, N, доступных соединений Mg (в 5,2 раза) , Mn (в 7,5 раз), Al (в 1,7 раз), Fe, Ni (в 3 раза), Cu (в 1,3 раза); в межкроновом пространстве увеличились концентрации С, доступных соединений элементов Са (в 1,8 раза), Mg (в 12,3 раза), Mn (в 14,6 раз), Р (в 1,7 раз), Fe, Ni (в 2 раза).

Следовательно, серпентинит обожженный наиболее эффективно повышает содержание доступных форм Ca, Mg, Mn при применении его в повышенных дозах. Негативным эффектом можно признать повышение доступности тяжелых металлов и Al.

Исследование влияния серпентинита на химический состав почвенных вод позволил оценить вынос элементов из органогенного горизонта за вегетационный период 2006 года. При внесении серпентинита наблюдается снижение актуальной кислотности почвенных вод на всех трех участках. Мелиорант влияет на химический состав почвенных вод, причем наиболее ярко выраженное изменение наблюдается в межкроновых пространствах. Отмечено, что внесение мелиоранта усиливает вынос органического вещества с почвенными водами. В данных исследованиях сырой серпентинит проявил себя как не вызывающий резкого выноса элементов питания из органогенного горизонта и повышения потенциальной токсичности тяжелых металлов и алюминия.

Для характеристики условий произрастания растений и оценки питательного режима фитоценозов широкое распространение получила листовая диагностика. Анализы растений указывают на доступность элементов почвы и являются показателем условий произрастания. Химический состав хвои ели экспериментальных участков сопоставлен с характеристиками естественной растительности, произрастающей в условиях загрязнения (контроль). Результаты эксперимента, представленные на рисунках 1 и 2, свидетельствуют об изменении минерального состава хвои ели на следующий год после внесения мелиорантов.

На контрольном участке в хвое текущего года выявлен дефицитный уровень содержания кальция (<1000 мг/кг, [6]). Положительным моментом эксперимента является то, что внесение серпентинита способствует увеличению содержания кальция в хвое всех исследуемых возрастных классов. Наиболее значительное повышение кальция отмечается при использовании обожженного серпентинита (доза 0.2 кг/м²). Использование данного мелиоранта, но в другой дозировке (0.4 кг/м²) также приводит к заметному возрастанию кальция в ассимилирующих органах ели. На участках с внесением обожженного серпентинита концентрация Ca в молодой хвое возрастает в 2-3  раза, в многолетней - в 5-6 раз. На участке с внесением сырого серпентинита также наблюдается увеличение содержания кальция, но не столь значительное (в 2-3 раза). Уровень обеспеченности хвои кальцием на экспериментальных участках достигает достаточного (1000-3000 мг/кг) и оптимального (>3000 мг/кг) уровней.

В течение периода 2005-2006 года на всех экспериментальных участках произошло накопление марганца. Концентрации Mn в хвое в 2-3 раза выше контрольных значений. На участках с внесением обожженного серпентинита в хвое аккумулируются более высокие концентрации марганца по сравнению c участками с применением сырого серпентинита. Внесение обожженного серпентинита позволило оптимизировать содержание Mg в однолетней и многолетней хвое, концентрация которого достигла достаточного уровня (700-1000 мг/кг). На контрольном участке концентрации Mg для данных возрастных классов хвои опускаются ниже уровня дефицита (700 мг/кг, [6]). На содержание калия внесение серпентинита существенно не повлияло. В некоторых случаях отмечается увеличение или, напротив, незначительное снижение концентрации данного элемента. В данных условиях содержание калия в хвое как на контрольном, так и на экспериментальных участках достигает оптимальных значений (>3000 мг/кг). В экспериментах с внесением сырого и обожженного серпентинита содержание Zn в однолетней и многолетней хвое возрастает или остаётся сопоставимым с контрольными значениями. В хвое текущего года отмечается тенденция к снижению концентрации данного микроэлемента. Интенсивность аккумуляции фосфора, концентрация которого в условиях загрязнения обычно возрастает, на экспериментальных участках снижалась, что может быть следствием проявления антагонизма между элементами, который часто наблюдается в паре Ca - P. На участке с применением сырого серпентинита отмечается возрастание в хвое ели содержания тяжёлых металлов (Cu, Ni), что обусловлено как высокой антропогенной нагрузкой, так и сохраняющимся дефицитом некоторых элементов питания, особенно Zn. Валовое содержание Fe и Al в ряде случаях также превышает контрольные значения. На экспериментальных участках, как правило, наблюдаются более высокие концентрации серы в хвое, особенно многолетней (в 1,5-2 раза выше контрольных значений).

Рис.1. Содержание основных элементов питания в хвое ели на эксперименттальных участках на следующий год после внесения мелиорантов.

Рис. 2. Содержание никеля и меди в хвое ели на экспериментальных участках на следующий год после внесения мелиорантов.

Заключение

Результаты исследований на данном этапе эксперимента свидетельствуют о том, что наиболее благоприятное действие на поглощение элементов елью в условиях воздушного промышленного загрязнения оказывает обожженный серпентинит. Внесение этого мелиоранта способствует более активному поглощению елью недостающих элементов питания - кальция, марганца и магния. На участках с применением обожженного серпентинитa содержание тяжёлых металлов (Ni и Cu) в хвое текущего года и однолетней хвое снижается. Напротив, на участках с использованием сырого серпентинитa концентрация Ni и Cu в ассимилирующих органах ели несколько возрастают. Отрицательным моментом следует признать существенное увеличение в хвое содержания серы при использовании как обожженного, так и сырого серпентинита.
В результате проведенных экспериментальных работ в ельнике злаково-кустарничковом на стадии интенсивной дефолиации авторами получены предварительные результаты по применению магнийсодержащего мелиоранта. Учитывая то, что в условиях лесного фитоценоза пролонгированное действие серпентинита проявится не ранее, чем через 5-10 лет, наблюдения за изменениями в химическом составе хвои, почвенных вод, кислотности почвы и питательном режиме необходимо продолжить.

Литература

1. Лукина Н.В., Никонов В.В. Питательный режим лесов северной тайги: природные и техногенные аспекты. Апатиты: КНЦ РАН, 1998. - 316 с.
2. Лукина Н.В., Сухарева Т.А., Исаева Л.Г. Техногенные дигрессии и восстановительные сукцессии в северотаёжных лесах. М.: Наука. - 2005. - 245с.
3. Никонов В.В., Лукина Н.В., Макаров В.Н. Подходы к восстановлению бореальных лесов в условиях воздушного промышленного загрязнения// Труды XI Съезда Русского Географического Общества. Т. 8. Санкт-Петербург. - 2000. - С. 244-248.

4. Makarov V.N., Manakova N.K., Nikonov V.V., Lukina N.V., Lokshin E.P. Recovery of defoliating forests in the vicinity of copper-nickel plant using magnesium ameliorants // Sixth International Nickel Conference. Programme and Book of Abstracts. Murmansk, Kola Peninsula, Russia. September 1-6, - 2002. - P. 107.
5. Макаров В.Н., Манакова Н.К., Никонов В.В., Лукина Н.В., Горбачева Т.Т. Магниевый мелиорант. // Новые химические технологии: производство и применение: Сб. статей V Международной Всероссийской научно-технической конференции. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2003. - С. 79-82.
6. Huettl R.F. Mg deficiency - a "new" phenomenon in declining forests - symptoms and effects, causes, recuperation // Forest Decline in the Atlantic and Pacific Region / Huettl and Mueller. Dombois (Eds.). - Springer-Verlag. Berlin Heidelberg, 1993. P. 97-114.

Научные основы химии и технологии переработки комплексного сырья том 2