Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,686

ПОСТУПЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ НА ЛЕСНОЙ ВОДОСБОР

Карпечко Ю.В. 1 Кравченко И.Ю. 1
1 ФГБУН «Институт водных проблем Севера Карельского научного центра РАН»
Вследствие взаимодействия воды с частями дерева при прохождении осадков через полог леса концентрация многих элементов в них увеличивается. Существенное влияние на изменение концентрации катионов оказывает кислотность осадков. Количество поступающих на наземную поверхность веществ зависит от концентрации их в осадках, от изменения их концентрации в кронах деревьев и испарения задержанной влаги пологом леса.
атмосферные осадки
лесной водосбор
трансформация химического состава атмосферных осадков
1. АЛЕКСЕЕНКО В.А. ВЛИЯНИЕ ПОЛОГА ЛЕСА НА КРУГОВОРОТ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ЛЕСНОМ ВОДОСБОРЕ СЕВЕРО-ЗАПАДА ЕТС // ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ. – 1991. – № 3. – С. 57–64.
2. БАХМЕТ О.Н., ФЕДОРЕЦ Н.Г., ЛАСТОЧКИНА В.Г. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ И ПОЧВЕННЫХ ВОД КАРЕЛИИ. – ПЕТРОЗАВОДСК: КАРНЦ РАН, 2011. – 34 С.
3. КАРПЕЧКО Ю.В., БОНДАРИК Н.Л. ГИДРОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫХ И ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫХ РАБОТ В ТАЕЖНОЙ ЗОНЕ ЕВРОПЕЙСКОГО СЕВЕРА РОССИИ. – ПЕТРОЗАВОДСК: КАРНЦ РАН, 2010. – 225 С.
4. ПОГРЕБНЯК Ю.Ф., СУСЛЕНКОВА Р.М., ТОЛОЧКО В.В. РОЛЬ ТРАНСПИРАЦИИ РАСТЕНИЙ В ФОРМИРОВАНИИ СОСТАВА ДОЖДЕВЫХ ВОД // ДОКЛАДЫ АН СССР. – 1983. – Т. 272. – № 4. – С. 968–970.
5. РУКОВОДСТВО ПО ХИМИЧЕСКОМУ АНАЛИЗУ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД СУШИ. ЧАСТЬ 1 / ПОД. РЕД. Л.В. БОЕВОЙ. – РОСТОВ-НА-ДОНУ. – «НОК», 2009. – 1044 С.
6. СМИТ У.Х. ЛЕС И АТМОСФЕРА. – М.: ПРОГРЕСС. – 1985. – 430 С.
7. ФЕДОРОВА В.А., ТОРСУЕВ Н.П. ОСОБЕННОСТИ ВЫПАДЕНИЯ И СТОКА НЕОРГАНИЧЕСКОГО АЗОТА НА СЕВЕРЕ РУССКОЙ РАВНИНЫ // ЖУРНАЛ ЭКОЛОГИИ И ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ. – 2010. – № 1. – С. 5–13.
8. ФЕДОРЕЦ Н.Г., СОЛОДОВНИКОВ А.Н., МОШКИНА Е.В., ПРЕСНУХИН Ю.В., ТИМОФЕЕВА В.В. ПОЧВЫ ХВОЙНЫХ И МЕЛКОЛИСТВЕННЫХ ЛЕСОВ // РАЗНООБРАЗИЕ ПОЧВ И БИОРАЗНООБРАЗИЕ В ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМВХ СРЕДНЕЙ ТАЙГИ. – М.: НАУКА, 2006. – С. 98–147.
9. ШИЛЬЦОВА Г.В., ЛАСТОЧКИНА В.Г. ВЛИЯНИЕ ПОЛОГА СОСНОВОГО И БЕРЕЗОВОГО ЛЕСА НА ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ОСАДКОВ В ЗАПОВЕДНИКЕ «КИВАЧ» // ТРУДЫ КАРНЦ РАН. – ВЫП. 10. – ПЕТРОЗАВОДСК, 2006. – С. 180–184.
10. TUKEY H.B. THE LEACHING OF SUBSTANCES FROM PLANTS // ANNUAL REVIEW OF PLANT PHYSIOLOGY. – 1970. – 21. – P. 305–324.

Химический состав воды рек и озер зависит от геологического строения водосборов, состава горных пород верхней части земной коры, почвенных условий и растительного покрова. Важным звеном в формировании химического состава вод являются выпадающие на территорию водосборов атмосферные осадки, состав которых формируется в период образования и перемещения облаков и при выпадении.

Поступающие на лесной водосбор атмосферные осадки трансформируются растительным покровом и почвогрунтовой толщей. Преобразованию химического состава осадков древесной растительностью посвящены многие работы, в частности, [1, 2, 4, 9]. Основной целью большинства исследований является оценка степени изменения концентрации ингредиентов в осадках после их прохождения через кроны и роли в этом процессе породного состава древостоя. Вопросу влияния таксационных характеристик древостоя на преобразование химического состава осадков внимания уделялось не достаточно, что затрудняет использование полученных результатов в других лесах, даже расположенных вблизи места исследования. В этой связи интерес может представлять анализ данных наблюдений в сосняке и ельнике южной Карелии, выполненных Институтом леса КарНЦ РАН при участии лаборатории гидрохимии и гидрогеологии Института водных проблем Севера КарНЦ РАН [2].

Материалы и методы исследования

Наблюдения за химическим составом атмосферных осадков проводились круглогодично в течение 2009-2012 гг. Осадки собирались непосредственно под кронами и на открытых участках между кронами (в «окнах»). Химический анализ проб атмосферных осадков проводился в лаборатории лесного почвоведения и микробиологии Института Леса, в аналитической лаборатории ИЛ и в лаборатории гидрохимии и гидрогеологии ИВПС КарНЦ РАН. Для химического анализа использованы методики, представленные в [2] и аттестованные методики [5]. Таксационные характеристики объектов исследований имеются в работе [8].

Осадки, отобранные на открытых участках, позволяли судить о химическом составе атмосферных осадков на верхней границе полога леса, хотя в них возможны незначительные изменения концентрации некоторых элементов. Это связано с тем, что капли с крон могли попадать под влиянием ветра в осадкосборники, установленные под «окнами».

Результаты исследования и их обсуждение

Химический состав атмосферных осадков зависит от сезона. Летние осадки, по сравнению с зимними, имеют более высокую концентрацию практически всех химических веществ. Эти различия сохраняются и в химическом составе осадков, просочившихся сквозь полог леса. Наиболее они ощутимы в концентрациях калия, магния и фосфора. Однако, количество нитратов в атмосферной воде в летний период меньше, чем зимой. Такое же сезонное соотношение нитратного азота в осадках отмечается и на метеорологических станциях Европейского Севера России [7].

Изменения химического состава атмосферных осадков древесной растительностью в значительной степени объясняются смыванием с поверхности ветвей и листьев (хвои) задержанных ими веществ из атмосферного воздуха и непосредственным взаимодействием частей растения с водными растворами химических элементов, при котором возможно как увеличение концентрации в осадках, так и ее снижение. Важной задачей является установление роли каждого из этих процессов.

В преобладающем числе случаев из всех наблюденных в сосняке и ельнике концентрация большинства веществ в осадках возрастала после их прохождения через кроны (табл. 1). Изменение получено как разность между концентрациями веществ в осадках, прошедших через кроны древостоя и через «окна». Достаточно часто отмечалось только уменьшение содержания нитратов, что, по-видимому, объясняется их поглощением растениями. Уменьшение в подкроновых водах других элементов наблюдалось только в единичных случаях.

Таблица 1

Изменение осредненных за период наблюдений величин pH осадков и концентрации химических веществ в них после прохождение через кроны древостоя

Сезон

pH

K+,

мг/л

Ca2+,

мг/л

Mg2+,

мг/л

SO42-,

мг/л

Pобщ,

мг/л

NH4+,

мгN/л

NO3-,

мгN/л

Nобщ,

мгN/л

Si,

мг/л

Сосна

Лето

– 0,61

2,70

1,75

0,26

3,08

0,011

0,77

0

0,01

0,08

Зима

– 0,09

0,05

0,12

0,02

1,30

0,0046

0,01

0,07

0,02

0,01

Год

– 0,42

1,76

1,16

017

2,43

0,0081

0,51

0

0,01

0,06

Ель

Лето

– 0,17

1,67

1,89

0,28

3,48

0,302

1,48

0,04

0,38

0,09

Зима

0,05

0,81

0,44

0,03

2,37

0,130

0,03

– 0,05

0,12

0,17

Год

– 0,08

1,25

1,37

0,19

3,13

0,261

0,95

– 0,01

0,30

0,11

Из обширного обзора различных исследований, приведенных в работе [10], следует, что в результате сложного взаимодействия с растениями осадки обогащаются большим набором неорганических и органических соединений. В наибольших количествах в осадки поступают калий, кальций, натрий и магний. По мнению ряда исследователей, одним из важных факторов, определяющих поступление катионов из растений в омывающую их воду, является кислотность осадков. Причем, наибольший эффект потери растениями элементов достигался в пределах pH 3.3 – 4.0 [6].

Для оценки влияния кислотности осадков на трансформацию их химического состава хвойной растительностью были рассмотрены зависимости между изменениями концентрации элементов с одной стороны и величинами pH осадков с другой стороны. Для тех веществ, для которых отмечены наибольшие по абсолютной величине изменения, получены достаточно достоверные зависимости (коэффициенты корреляции изменяются в пределах 0,5 – 0,7) (рисунок).

kar1.wmf

Зависимость величин изменения концентрации калия в осадках после прохождения через кроны древостоя от их кислотности

Вероятно, количества вещества, поступающего в осадки или теряемого ими, зависит от числа дождевых капель, взаимодействующих с растением, поэтому величину изменения концентраций элементов в воде осадков можно рассматривать как функцию густоты кронового пространства, выражаемую через величину листового индекса. В этом случае концентрацию i-го элемента в прошедших через кроны осадках следует определять по формуле:

karpec01.wmf (1)

где CPci – средневзвешенная (с учетом «окон») концентрация i – го химического вещества в воде, прошедшей через полог леса, мг/л; CPi – концентрация i – го химического вещества в воде осадков на верхней границе кронового пространства, мг/л; LAI – листовой индекс, га/га; kPci – изменение концентрации i – го химического вещества в осадках при их взаимодействии с единицей листового индекса, (мг га)/(л га).

Расчеты по (1) дают приближенные результаты, так как увеличение концентрации элементов в осадках, несомненно, ограничено сверху, поэтому для высокопродуктивного древостоя использование формулы может привести к завышению результатов.

Коэффициент kPci определяется при наличии наблюдений в исследуемом районе по формуле:

karpec02.wmf. (2)

При этом концентрация химических веществ в осадках, прошедших через полог леса, определяется как средневзвешенная величина с учетом сомкнутости крон. Величина листового индекса рассчитывается по методу, описанному в [3], с использованием имеющейся в учреждениях лесного хозяйства информации.

Для осредненных за год условий по данным наблюдений в сосняке и в ельнике южной Карелии для некоторых веществ были получены коэффициенты kPci (табл. 2).

Таблица 2

Изменение концентрации i – го химического вещества единицей листового индекса

K+

Ca2+

Mg2+

SO42-

Pобщ

NH4+

NO3-

Nобщ

Si

Сосняк

0,65

0,43

0,06

0,90

0,004

0,18

0

0,004

0,02

Ельник

0,21

0,24

0,03

0,54

0,045

0,16

– 0,002

0,05

0,02

Важной величиной, наряду с концентрацией, является количество i – го химического вещества, поступающего на единицу площади. Количество вещества, поступающего на верхнюю границу кронового пространства (IPi, кг/га), определяется по формуле:

karpec03.wmf (3)

где P – атмосферные осадки, мм.

Количество вещества, поступающего на наземный покров (I Pci), зависит от концентрации этого вещества в прошедших через полог леса осадках и от их испарения с полога леса (Еi):

karpec04.wmf (4)

Годовая величина испарения с полога леса для таежной зоны определяется как сумма из испарения осадков с крон древостоя в теплый период, испарения снега с полога леса и испарения осадков с полога леса в периоды, когда равновероятно выпадение жидких и твердых осадков. Методы расчета этих величин изложены в [3].

В табл. 3 представлены результаты расчета по (4) количества некоторых элементов, поступивших на земную поверхность под полог леса. Концентрация элементов в осадках определялась по (1), а ее изменение единицей листового индекса по табл. 2. Нужно отметить, что даже с учетом ошибок в определении всех параметров, расчеты позволяют судить о соотношении поступающих под полог леса веществ и о влиянии на их величину густоты древостоя. В условиях южной Карелии больше всего на земную поверхность под полог леса поступают сульфаты, калий и кальций. Их количество заметно возрастает с увеличением густоты древостоя. Изменение других элементов в меньшей степени связано с густотой леса. При этом количество нитратов, достигших наземного покрова убывает с увеличением листового индекса, это относится и к общему азоту в сосняке (табл. 3).

Таблица 3

Поступление некоторых химических веществ на верхнюю границу полога леса и на наземный покров при разных значениях листового индекса

LAI

K+

Ca2+

Mg2+

SO42-

Pобщ

NH4+

NO3-

Nобщ

Si

га/га

кг/га

кг/га

кг/га

кг/га

кг/га

кгN/га

кгN/га

кгN/га

кг/га

Сосняк

0

10,7

7,84

1,08

17,4

0,17

1,55

2,16

4,06

0,51

2

13,6

9,64

1,36

21,2

0,17

2,56

1,90

3,59

0,56

4

16,6

11,6

1,65

25,3

0,18

3,52

1,78

3,39

0,64

6

19,5

13,4

1,92

29,2

0,19

4,39

1,69

3,24

0,71

Ельник

0

18,1

15,28

2,84

44,14

1,11

3,85

1,96

5,68

1,35

2

17,9

15,7

2,80

43,8

1,19

4,97

1,68

5,45

1,37

4

18,7

16,9

2,92

46,0

1,32

6,16

1,55

5,58

1,46

6

19,6

18,1

3,05

48,3

1,45

7,23

1,44

5,72

1,55

Выводы

Концентрация многих химических веществ в осадках возрастает при их взаимодействии с кронами древостоя. В большей степени это относится к калию, кальцию и сульфатам. Наблюдаемое снижение концентрации некоторых веществ обусловлено, по-видимому, их поглощением растениями.

Существенное влияние на изменение концентрации катионов оказывает кислотность осадков, с возрастанием которой увеличивается их поступление из растений в осадки.

С увеличением густоты древостоя поступление под полог леса сульфатов, калия и кальция возрастает, а нитратов – снижается.


Библиографическая ссылка

Карпечко Ю.В., Кравченко И.Ю. ПОСТУПЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ НА ЛЕСНОЙ ВОДОСБОР // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 12-9. – С. 1649-1652;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=8213 (дата обращения: 15.02.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252