Реакция лесных экосистем на сокращение атмосферных промышленных выбросов в Кольской Субарктике

Фоновое ненарушенное растительное сообщество Кольского полуострова (ельник кустарничково-зеленомошный) слева и справа конечный этап дигрессии – техногенная пустошь. Фото с сайта Ценофонд лесов Европейской России (cepl.rssi.ru) и с сайта авторов статьи (eco.soil.msu.ru/carbon/index_rus.htm)

Долговременные наблюдения за экосистемами в зоне техногенного воздействия металлургических комбинатов на Кольском полуострове помогают отследить динамику деградации/восстановления растительности. Результатом сокращения объемов выбросов в атмосферу в ходе модернизации предприятий, проходившей на протяжении последних 20 лет, стали тенденции к восстановлению сильно деградировавших растительных сообществ и почв в окрестностях предприятий. Исследования показали, что темп восстановления лесных экосистем зависит не только от снижения атмосферных выбросов, но и от количества накопленных загрязняющих веществ в почве и подстилке. Восстановление техногенных лесов идет с заметным запаздыванием по отношению к снижению объемов выбросов и неравномерно. Наиболее быстро восстанавливаются мелколиственные породы деревьев, однолетние органы растений.

Хвойные леса Кольской субарктики произрастают в сложных природных условиях. Вместе с тем лесные экосистемы вблизи металлургических комбинатов подвергаются серьезной техногенной нагрузке в виде атмосферных выбросов диоксидов серы и тяжелых металлов. Исследователи из МГУ имени М. В. Ломоносова в течении многих лет отслеживают влияние выбросов металлургических гигантов на лесные сообщества Кольского полуострова. В ходе этих и аналогичных исследований, отслеживающих ситуацию зонах в разной удаленности от комбинатов, установили динамику деградации лесных сообществ. Фоновым, ненарушенным сообществом можно назвать кустарничково-зеленомошные ельники: в древесном ярусе преобладает ель, участвует береза, кустарничковый ярус представлен брусникой, черникой, голубикой, багульником, среди мхов доминируют дикранум и плевроциум. По мере нарастания загрязнения происходит структурно-функциональная перестройка лесного сообщества. Наиболее уязвимыми являются мхи и лишайники, затем постепенно деградирует ярус хвойных пород деревьев. Атмосферное загрязнение приводит к пожелтению и опадению хвои и к последующей гибели деревьев. В кустарничковом ярусе чувствительные растения (черника) заменяются более устойчивыми (вороника).

В период максимального загрязнения (1970-1980) ежегодные атмосферные выбросы диоксида серы комбинатом «Североникель» доходили до 280 тыс. т. Реконструкция производства позволила снизить выбросы на настоящий момент в 7 раз. Выбросы твердых веществ сокращены в 5 раз. Космические съемки территории влияния комбината показали заметное сокращение площадей сильно поврежденных экосистем в последние десятилетия. В связи с этим была поставлена задача исследовать восстановительную способность растительных сообществ. Ученые анализировали показатели загрязнения растений и почвы на разном удалении от загрязняющего источника и динамику восстановления лесного сообщества. В качестве показателей загрязнения измеряли содержание загрязняющих элементов в коре деревьев, хвое, образцах почвы по сравнению с фоновыми лесами.

Рис. 1. Изменение соотношения массы живых особей ели, сухостойных стволов и валежа в ельниках на разном удалении от комбината «Североникель». (Иллюстрация из обсуждаемой статьи)

Исследования показали, что современное состояние фитоценозов отражает полный спектр стадий деградации в зависимости от удаления от загрязняющего агента: от фоновых лесов, расположенных в 64 км от комбината, до техногенных пустошей – конечного этапа дигрессии северотаежных еловых лесов (рис. 1). Практически единственным явным признаком улучшения экологической обстановки исследователи называют возобновление мелколиственных пород в зоне повреждения.

Изменения элементного состава растений зависит от загрязнений атмосферы, почвы и климатических факторов. В фоновых лесах полуострова наблюдается типичный для елей бореальных лесов состав элементов как в хвое, так и в коре. Хвоя характеризуется повышенным содержанием калия, кальция, магния и серы по сравнению с другими органами растения. Под влиянием атмосферного загрязнения хвоя ели теряет Ca и Mg. Понижение содержания этих элементов зависит от вымывания атмосферными осадками и снижением поглощения этих элементов корнями из почвы. Дело в том, что Ca и Mg могут вытесняться из почвы загрязняющими элементами – железом, медью, свинцом и другими тяжелыми металлами. Заметно увеличение в хвое серы по мере приближения к загрязняющему источнику (1.5 – 2 раза по сравнению с фоновыми растениями), также увеличивается в хвое содержание никеля, меди и кобальта. А вот содержание марганца и цинка, наоборот, снижается по мере нарастания загрязнения. Авторы предполагают, что таким образом выражается явный дисбаланс элементного состава ели и нарушение метаболических процессов под воздействием техногенной нагрузки. Многолетние наблюдения за элементным составом в коре и хвое елей позволили получить картину изменений. Несмотря на сокращение атмосферных выбросов диоксида серы, поглощение серы хвоей сохранилось на прежнем уровне, а корой – снизилось. Авторы считают, что это отражает физиологические потребности ели в этом элементе. Накопление тяжелых металлов в хвое и коре на загрязненных участках за наблюдаемое время значительно снизилось (до 4 раз в случае молодой хвои), а если сравнивать с периодом максимальных выбросов в 80х годах прошлого века до в 12 раз (молодая хвоя).

По мере приближения к комбинату подстилка закономерно обедняется органическим веществом и элементами минерального питания (калий, кальций, магний). Напротив, содержание в подстилке загрязняющих агентов – никеля, меди, кадмия и свинца – увеличивается с приближением к источнику выбросов. Сокращение атмосферных выбросов позволило снизить содержание некоторых металлов (никель) в почвах, содержание других металлов сохраняется пока на прежнем уровне (медь). Таким образом, сокращение выбросов предприятиями отражаются в снижении накопления тяжелых металлов в органах растений. Однако стоит отметить наличие явной задержки «ответа» экосистемы, поскольку на ситуацию по-прежнему влияют накопления загрязняющих веществ в почве. Это исследование и прежние эксперименты авторов по ремедиации почв (искусственное восстановление загрязненной почвы) дают основания для заключения, что биоремедиация необходима для начала устойчивого восстановления фитоценозов.