ІНСТИТУТ АГРОЕКОЛОГІЇ

УКРАЇНСЬКОЇ АКАДЕМІЇ АГРАРНИХ НАУК

Моргун Євгенія Миколаївна

УДК: 631.415.12.

НАДХОДЖЕННЯ ТА ТРАНСФОРМАЦІЯ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ

В ЕКОСИСТЕМАХ БІОСФЕРНОГО ЗАПОВІДНИКА

“АСКАНІЯ-НОВА”

03.00.16. – екологія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

Київ–2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в лабораторії агрогрунтознавства Інституту землеробства УААН та в лабораторії біологічного моніторингу і заповідного степу Біосферного заповідника “Асканія-Нова” імені Ф.Е. Фальц-Фейна УААН

Науковий керівник – | доктор сільськогосподарських наук, | професор, академік УААН | Мазур Генріх Адольфович, | Інститут землеробства УААН, | завідувач лабораторії агрогрунтознавства | Офіційні опоненти: | доктор.біологічних.наук, професор | Бондар Олександр Іванович | Державний екологічний інститут | Мінприроди України, ректор | кандидат біологічних наук, старший науковий співробітник | Міхєєв Олексій Володимирович | Дніпропетровський національний університет | Заступник директора з наукової роботи НДІ біології | Провідна установа – | Національний ботанічний сад

ім. М.М. Гришка НАН України, м. Київ |

Захист дисертації відбудеться ----“27” лютого 2007 року на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.371.01. в Інституті агроекології УААН за адресою: 03143, м. Київ, вул. Метрологічна, 12

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту агроекології УААН за адресою: вул. Метрологічна, 12

Автореферат розісланий “25” січня 2007 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Л.І. Моклячук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Біосферний заповідник “Асканія Нова” – найбільший в Європі резерват еталонних сухих степових екосистем, який знаходиться у північній частині Причорноморської ґрунтової провінції України. Цим визначається особливий інтерес до всіх складових його біогеоценотичного покриву, які зустрічаються в межах природного ядра та зон, що входять до системи біосферного резервату. Оскільки заповідник є ланкою найпотужнішого міграційного екологічного коридору Європи, то моніторинг потоків забруднюючих речовин у ландшафтах заповідника “Асканії-Нова” є важливим для всієї Європи.

Територія резервату віддалена від потужних індустріальних центрів, проте за розою вітрів потрапляє в зону їх впливу, в тому числі найбільшого забруднювача в регіоні – ЗАТ “Кримський Титан”. Водночас на території заповідника, одна з його найбільших депресій – Великий Чапельський під (Рамсарське водно-болотне угіддя) – є акумулятивною зоною, водозбір котрої виходить далеко за межі природного ядра. В недалекому минулому оточуючі природне ядро заповідника землі знаходились в інтенсивному сільськогосподарському використанні. Центр Великого Чапельського поду є місцем зосередження десятків тисяч, а в окремі роки і сотень тисяч птахів, радіус розлету яких щодоби складає до 40 км, – що супроводжується локальним підвищенням геохімічного фону, яке, в свою чергу, впливає на функціонування місцевих біоценозів. Виявлення шляхів надходження важких металів та їх наступної трансформації для заповідника особливо важливе, оскільки саме на цій території мешкає основна маса ссавців зоопарку "Асканія-Нова”, які знаходяться на напіввільному режимі утримання. Серед них низка рідкісних видів, занесених до списків Конвенції СІТЕС.

Отримання експериментальних даних щодо закономірностей міграції, визначення джерел надходження важких металів у грунти відповідно до реально існуючих умов заповідних територій додатково свідчать про актуальність запланованої програми досліджень.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводилися в рамках науково-технічної програми: “Вивчити динаміку степових екосистем та агроценозів ландшафту Біосферного заповідника “Асканія-Нова” за завданням “Визначити вміст рухомих форм свинцю, кадмію та міді в грунтах екологічного ряду заповідника” (№ ДР 0101U000781; № ДО 0206U002811); науково-технічної програми: “Агроекологічний моніторинг і моделювання сталих агроландшафтів та агроекосистем” (№ ДР 0101U000783; № ДО 0206U002876); НДР Літопис природи Біосферного заповідника “Асканія-Нова” (№ ДР 0101U000783; № ДО 0206U002876).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є дослідження шляхів надходження та трансформації кадмію, свинцю і міді в екосистемах природного ядра Біосферного заповідника "Асканія-Нова", їх рівнів накопичення в акумулятивних зонах.

Для досягнення поставленої мети було визначено наступні завдання:

· здійснити аналіз надходження кадмію, свинцю і міді з атмосферними опадами на територію Біосферного заповідника “Асканія-Нова”;

· визначити вплив зоогенного фактору важких металів на ґрунтовий покрив Великого Чапельського поду;

· дослідити характер абіотичної та біотичної міграції важких металів у екосистемах резервату;

· визначити роль водойм заповідника у накопиченні важких металів;

· здійснити аналіз вмісту важких металів у надземній та кореневій рослинній масі;

· визначити особливості вмісту, сезонної та різнорічної динаміки свинцю, кадмію та міді в ґрунтах екологічного ряду заповідника;

· дослідити акумулятивні процеси важких металів у ґрунтах екологічного ряду заповідника

Об’єкт дослідження – особливості надходження, міграції та акумуляції важких металів в екосистемах природного ядра Біосферного заповідника "Асканія-Нова".

Предмет досліджень – шляхи надходження важких металів до природного ядра Біосферного заповідника "Асканія-Нова".

Методи досліджень. 1) Польовий – вивчення надходження, міграції та акумуляції кадмію, свинцю та міді в екосистемах заповідника; 2) лабораторний – визначення фізико-хімічними, екотоксикологічними методами кількісних та якісних характеристик об’єктів дослідження; 3) математико-статистичний – обробка експериментальних даних та встановлення взаємозв’язку між різними факторами.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше досліджено шляхи надходження та особливості акумуляції важких металів у межах екологічного профілю природного ядра Біосферного заповідника “Асканія-Нова”; визначено вплив флори і фауни вказаного біосферного резервату на рівень накопичення і характер міграції важких металів у природних екосистемах. Виконані дослідження за програмою дисертації включені в Систему довгострокового моніторингу за станом ґрунтів біосферного заповідника та прилеглих територій.

Практичне значення одержаних результатів. Результати моніторингу природного ядра заповідника “Асканія-Нова” свідчать про ступінь дестабілізації екологічної ситуації у всьому регіоні і можуть бути використані в базі даних з екологічних питань. Оскільки заповідник є ланкою найпотужнішого міграційного екологічного коридору Європи, то відслідковування транзитних потоків полютантів в екосистемах резервату є важливим для всієї екомережі Європи.

Результати досліджень надані до наукового відділу установи та увійшли у наукові звіти “Літопис природи Біосферного заповідника “Асканія-Нова” в 2000-2005 рр. і дозволили здійснити екологічну оцінку екосистем заповідника та виявити ступінь техногенного впливу на них. Окремі розділи за результатами наукових досліджень використовуються при читанні лекційних спецкурсів на кафедрі вірусології Національного університету імені Тараса Шевченка та на агрономічному факультеті Херсонського державного аграрного університету.

Особистий внесок здобувача. полягав у визначені мети та задач дослідження; дисертантом безпосередньо проведені польові дослідження, лабораторні та вегетаційні досліди, хімічні аналізи зразків ґрунту, рослин, зообентосу, кінцевих продуктів метаболізму птахів, атмосферних опадів і води, зібрані та опрацьовані літературні матеріали, проведений математичний аналіз результатів досліджень, узагальнені наукові положення і зроблені висновки, які викладені в роботі.

Апробація результатів досліджень. Основні результати роботи були представлені на: науково-практичних конференціях молодих вчених (Київ-Чабани, 2002; 2003; 2004); науково-практичній конференції “Особо охраняемые территории в ХХІ веке: цели и задачи” (Смоленск, 2002); Молодіжній науковій конференції “Довкілля-ХХІ” (Дніпропетровськ, 2002); Міжнародній конференції “Журавли на рубеже тысячелетий” (Асканія-Нова, 2003); на ІІІ міжнародному симпозіумі “Степи Северной Евразии. Эталонные степные ландшафты: проблемы охраны, экологической реставрации и использования” (Оренбург, 2003); науково-практичній конференції, присвяченої 80-річчю Канівського природного заповідника “Роль природно-заповідних територій у підтриманні біорізноманіття” (Канів, 2003); науково-практичній конференції, присвяченої 80-річчю Кримського природного заповідника “Состояние природных комплексов Крымского природного заповедника и других заповедных территорий Украины, их изучение и охрана” (Алушта, 2003); науково-практичній конференції “Природничі науки на межі століть (до 70-річчя природничо-географічного ф-ту НДПУ)” (Ніжин, 2004); Міжнародній науково-практичній конференції, присвяченої 70-річчю Центрально-Чорноземного заповідника “Изучение и сохранение природних екосистем заповедников лесостепной зоны” (Курск, 2005)

Публікації. За матеріалами досліджень опубліковано 17 наукових праць, з них – 7 статей у фахових виданнях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційну роботу викладено на 162 сторінках комп’ютерного тексту, із них основний зміст – на 139 сторінках; складається із вступу, шести розділів, три з яких є експериментальною частиною роботи, висновків, рекомендацій виробництву, списку використаних 241 літературних джерел, в тому числі 17 латиницею та 9 – фондові матеріали, додатків. Ілюстрована 31 таблицями, 30 рисунками;

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Огляд літератури. У розділі на підставі аналізу літературних джерел розглянуто роль ґрунту, як основного депонуючого середовища важких металів та інтегрального показника екологічного стану навколишнього середовища. Регуляторна роль ґрунту полягає у тимчасовому виведенні із міграційних потоків значних мас важких металів та їх перерозподілі; вищою вона є в степовій, чорноземній та каштановій зонах. Однак тут у звязку з високою ємністю грунтово-геохімічних барєрів (особливо карбонатних) збільшується небезпека прогресивного накопичення важких металів в гумусових і карбонатних горизонтах ґрунтів.

Умови та методи проведення досліджень. Польові та лабораторні дослідження проводили в природному ядрі Біосферного заповідника “Асканія-Нова” імені Ф.Е. Фальц-Фейна УААН протягом 2000-2003 рр. у межах однієї форми рельєфу, що являє собою ландшафтно-геохімічну катену (табл. 1), характеризуючи всі умови для винесення, транзиту та акумуляції речовини (Площа кожного пікету становить 1 га. Відстань між №1-3 пікетами становить 13,5 км).

Таблиця 1.

Схема досліджуваних стаціонарів на території Біосферного заповідника “Асканія-Нова”

№ п/п | Положення у катені | Назва стаціонарів | Грунт | Режим утримання

1 | Вододіл | Цілина,

квартал,68 | Темно-каштановий залишково солонцюватий ґрунт | Заповідний режим з 1966 р.

2 | Схил | Богарна частина дендрологічного парку (Велика степова галявина) | Темно-каштановий залишково солонцюватий ґрунт | Сінокісний режим (щорічно,

з 1945-1946 рр.)

3 | Днище поду | Цілина, Великий Чапельський під, загін № 7 | Глеєсолодь | Випас диких копитних

з 1962-1968,рр.

Всі дослідження виконувалися на ландшафтно-геохімічній основі. В грудні 2000 року було проведено рекогносцировочний відбір ґрунтових зразків для попереднього визначення вмісту кадмію, свинцю та міді (термін відбору було обрано для виключення впливу рослинності). В 2001-2003 рр. польовий відбір зразків ґрунту та рослин проводився у три строки: на початку (квітень), у розпал (травень-червень) та наприкінці (листопад) вегетаційного періоду за загальноприйнятими методиками. На кожному із зазначених пікетів зразки грунту відбирали буром в десятикратній повторності (для одержання змішаного зразка) за методом випадкових чисел рендомізовано: на цілині та степовій галявині – на глибину до 120 см через кожні 10 см, у Великому Чапельському поді – на глибину 100 см через кожні 10 см. Зразки рослинності відбирали з розділенням її на надземну частину, підстилку та коріння (Агрохимические методы..., 1965). Атмосферні опади відбирали на метеостанції за загальноприйнятими методиками (Виткевич, 1960) в поліетиленовий та пластиковий посуд для запобігання забруднення проб за ГОСТ 17.2.4.01-80. Кількість опадів, зареєстрованих на метеостанції, була екстрапольована на всю територію заповідника. Для визначення концентрації рухомих форм важких металів та рН атмосферних опадів проби аналізували щомісячно в сумі за 15 днів. Для визначення основних промислових забруднювачів повітряного простору резервату збір атмосферних опадів здійснювали щоразу при їх випадінні, співставляючи із напрямком вітру.

Відбір зразків екскрементів журавлів та гусей здійснювали у відповідності до загальноприйнятих методик (Ковальський, Гололобов, 1969; Практические методики…, 2002) в серпні–жовтні 2002 року та в березні–травні 2003 року. Відбір зразків зообентосу, представлені личинками хірономід (Diptera: Chironomidae), здійснювали у вересні за допомогою сітки вздовж берега ставка Великого Чапельського поду на різних глибинах (Зинченко, 2004). Залізо-марганцеві конкреції відбирали з ґрунтового профілю глеєсолоді, з намулу ставка біля берега, а також на глибині.

Відбір зразків води з штучних водойм заповідника проводили протягом всього досліджуваного періоду (2000-2003 рр.) поквартально (Программа.., 1966), а із водойми Великого Чапельського поду – в 3 етапи: 1) період за 2000-2002 роки, коли водойма поду знаходилася в звичайному режимі; 2) період з лютого по травень 2003 року – при затопленні поду (через кожні 2 тижні); 3) період з травня 2003 року, після висихання поду та повернення площі водного дзеркала до вихідних розмірів. Крім того, для виявлення впливу характеру атмосферних опадів на зміни хімічного складу води, з водойми дендрологічного парку здійснювали відбір та аналіз проб води безпосередньо після зливи та повторний відбір – на другий день.

Для оцінки бар’єрної функції ґрунтів по відношенню до важких металів було закладено модель геохімічного бар’єру (Доспехов, 1973) в умовах заповідного режиму (квартал 68). Об’єктом було взято темно-каштановий залишково солонцюватий ґрунт Дослід здійснювали за методом добавок у відкритих вегетаційних посудинах, діаметром 24 см і висотою 20 см без дна в умовах, що максимально імітують природні (відкрита система), у наступних варіантах:

Варіант А

(контроль): | фоновий вміст іонів важких металів (кадмію, свинцю та міді);

Варіант В: | ґрунт із вмістом іонів важких металів у трикратному перевищенні фонових концентрацій;

Варіант С: | ґрунт із вмістом іонів важких металів у п’ятнадцятикратному перевищенні фонових концентрацій.

У кожному варіанті було встановлено по два циліндри, з яких у трикратній повторності відбиралися зразки. Важкі метали в ґрунт вносилися шляхом добавок водних розчинів їх ацетатів.

Рухомі форми Cd2+, Pb2+, Cu2+, в ґрунтових зразках визначали на аналізаторі АВА-1 (Методика .., 1992). Кислоторозчинні форми визначали на атомно-адсорбційному спектрофотометрі за методиками виконання вимірювань після екстракції металів 1N соляною кислотою; обмінні форми – після екстракції металів амонійно-ацетатним буфером (рН=4,8), валові – після екстракції металів сумішшю концентрованих азотної та сірчаної кислот (Атомно-адсорбційні методи.., 1999). Визначення реакції ґрунтового розчину здійснювалося за потенціометричним методом, вологості ґрунтів – за термоваговим методом, вміст гумусу – за методом І.В.,Тюріна (Агрохимические методы, 1965).

Одержані результати обробляли загальноприйнятими статистичними методами (Дмитриев, 1972; Доерфель, 1969), та з використанням пакетів Exel, Statistica.

Характеристика природних умов та об’єкту досліджень. Територія землекористування Біосферного заповідника “Асканія-Нова” розташована на Лівобережжі Дніпра в Південній частині Причорноморської низовини на верхньопліоценовій терасі в межах південного Приазовсько-Присивашського геоморфологічного підрайону. Площа резервату становить 33307,6 га, в тому числі: природне ядро – 11054 га, дендропарк – 183,2 га, зоопарк – 61,6 га, земель буферної зони та агроценозів – 22008,8 га. Положення території асканійського степу в центрі сухої безстічної рівнини зумовило значну бідність її гідрографічної мережі: на великій площі Асканії-Нова повністю відсутні природні водостоки, а зрошення окремих площ заповідника (дендрологічний парк, зоологічний парк, тощо) відбувається по іригаційній мережі, куди вода подається із свердловин, які розкривають водоносні горизонти в пліоценових та понт-міотис-верхньосарматських відкладах.

Підкреслюється, що природне ядро Біосферного заповідника "Асканія-Нова" оточують агроценози, де основною формою сільськогосподарського виробництва є рослинництво, Їх активна взаємодія створює навколо резервату насичену екологічну структуру.

Джерела надходження важких металів та умови їх міграції в екосистемах полігону.

Аеральний перенос важких металів. Середньорічна кількість атмосферних опадів, які найчастіше приносяться повітряними масами з північно-східного, північного та південно-західного напрямків, становила: в 2001 р. – 379,8 мм, в 2002 р. – 409,7 мм, в 2003 р. – 313,5 мм. Максимум випадає в холодний осінньо-зимовий період.

Концентрація важких металів у атмосферних опадах коливається в межах: Сd від 0,001 до 0,7 мг/л (в середньому 0,051 мг/л); Pb від 0,0001 до 0,03 мг/л (0,003 мг/л); Cu від 0,0006 до 0,006 мг/л (0,004 мг/л); рН опадів – в межах: від 3,20 до 7,70, – на територію заповідника, загалом, випадають слабкокислі (45 %) та кислі (21,6і%) дощі. Відмічались також поодинокі випадки слабколужних (4т%) та навіть сильнокислих (5,9 %) опадів. Нейтральні дощі становлять всього 23,5 %. Встановлено, що загальна річна кількість важких металів, які потрапили на територію заповідника (33307,6 га) за період з 2001–2002 рр. аеральним шляхом становить: кадмію 682,5 кг; свинцю 48,6 кг; міді 17,6 кг.

Досліджено вплив режиму випадання опадів на вміст важких металів: обложні дощі при менших кількостях випадання містять більші концентрації кадмію, свинцю та міді, ніж зливові, а концентрація важких металів в мрячних дощах, що осаджуються із туману, збільшується в середньому в 7-20 разів, іноді перевищуючи середній вміст, при цьому вміст Сd в 50-100 разів перевищує регіональні фонові значення.

Шляхи надходження полютантів. Визначено, що основними забруднювачами повітряного простору резервату є промислові викиди з басейну Кривого Рогу та з Північнокримського промислового вузла. Відмічається, що промислова діяльність ЗАТ “Кримський ТИТАН” (м. Армянськ), содового та бромного заводів (м. Красноперекопськ) впливає також на рН атмосферних опадів і спричиняє посиленню кислотності дощів (рН = 4,17-5,11).

Вплив екскреторної діяльності мігруючих птахів на вміст важких металів у степових депресіях. Біосферний заповідник “Асканія-Нова” входить до найпотужнішого у Європі міграційного екологічного коридору. Дослідження останніх років показують, що заповідні території насьогодні мають ряд проблем, викликаних резерватогенним фактором, які до введення заповідного режиму були їм не властиві. Серед них – надмірне скупчення птахів на порівняно невеликих ділянках, що впливає на геохімічний фон середовища та викликає зоогенну сукцесію корінних біоценозів.

Основна кількість мігруючих птахів на території Великого Чапельського поду – Рамсарського водно-болотного угіддя (Ramsar Wetlands) – знаходиться в осінній та у весняний періоди: в період з серпня по жовтень 2002 року було зафіксовано 11 тисяч особин Grus grus L., а з березня по травень 2003 року – 4 тисячі особин. Кількість Anser albifrons Sc. з листопада по грудень 2002 року становила понад 24 тисячі особин, Anser anser L. – з вересня по грудень 2002 року – 5 тис. 700 особин. В 2003 році протягом березня – І декади квітня спостерігалось: Anser albifrons Sc. – 3 тис. 650 особин, Anser anser L. – 800 особин.

Мігруючі птахи годуються переважно за межами ядра резервату, де знаходять пожнивні залишки кукурудзи, проса, та сходами озимих культур: протягом доби в радіусі до 35 км від заповідної ділянки Великого Чапельського поду здійснюється потужний міжекосистемний перенос біотичної енергії (Гавриленко та ін., 2006), яка вбирає в себе додатковий енергетичний потенціал з полів, розсіює його в просторі, і частково переносять у вигляді екскрементів у заповідні системи. Обробіток пестицидами посівів сільськогосподарських культур та внесення на поля мінеральних добрив сприяють збагаченню агроекосистем важкими металами. Разом з кормом вони потрапляють до шлунку птахів, частково трансформуються, а потім, з кінцевими продуктами метаболізму, надходять у ґрунт поду.

Перерозподіл сполук важких металів в екскрементах має сезонний характер, що зумовлено, насамперед, вмістом важких металів в кормах: найбільші концентрації важких металів в екскрементах як журавлів, так і гусей, містяться навесні (табл. 2; рис. 1), що пов’язано з максимальним вмістом хімікатів у агроекосистемах в цей період.

Таблиця 2.

Вміст важких металів в екскрементах птахів, мг/кг

Форми наход-ження | Дослід-жувані елементи |

Осінь 2002 р. (n=9) | Весна 2003 р. (n=5)

M | ±m | д | CV% | M | ±m | д | CV%

Вміст важких металів в екскрементах журавлиних | Кислото-

розчинні | Cd | 0,44 | ±0,05 | 0,11 | 25,91 | 0,90 | ±0,26 | 0,77 | 85,53

Pb | 2,98 | ±0,44 | 0,98 | 32,74 | 7,71 | ±2,13 | 6,40 | 82,97

Cu | 7,90 | ±0,26 | 0,59 | 1,49 | 9,41 | ±1,78 | 5,54 | 56,75

Обмінні | Cd | 0,30 | ±0,16 | 0,22 | 74,54 | 0,60 | ±0,13 | 0,35 | 57,74

Pb | 1,06 | ±0,06 | 0,13 | 12,66 | 4,09 | ±0,97 | 2,56 | 62,57

Cu | 2,00 | ±0,34 | 0,77 | 38,57 | 1,50 | ±0,22 | 0,57 | 38,30

Вміст важких металів в екскрементах гусиних | Кислото-

розчинні | Cd | 0,57 | 0,09 | 0,13 | 26,96 | 0,56 | 0,03 | 0,05 | 8,76

Pb | 3,67 | 1,04 | 1,80 | 48,96 | 14,20 | 0,10 | 0,14 | 1,00

Cu | 7,27 | 0,72 | 1,24 | 17,10 | 8,80 | 1,10 | 1,56 | 17,68

Обмінні | Cd | 0,23 | 0,03 | 0,06 | 24,74– | *–––

Pb | 1,43 | 0,20 | 0,35 | 24,50––––

Cu | 2,90 | 0,78 | 1,35 | 46,65––––

Примітка. - *не виявлено

Рис. 1. Вміст рухомих форм важких металів в екскрементах журавлиних та гусиних, мг/кг

За результатами проведених досліджень, в період з серпня до жовтня 2002 року та з березня до травня 2003 року 15 тисяч журавлів та 34 тисячі 150 гусей принесли близько 26 т 819 кг органічної речовини. Площа Великого Чапельського поду – 2376,4 га (Проект.., 2003), місця скупчення мігруючих птахів – схили та днище поду в загонах № і1, № 6, № 4 та № 7, загальною площею близько 1100 га. Таким чином, в досліджуваний період на територію Великого Чапельського поду було внесено 25,72 кг/га пташиного посліду. За рекомендованими нормами таке надходження органічної речовини до подової екосистеми, що знаходиться під пасквальним навантаженням, не перевищує норму. Разом з органічними речовинами до поду надходить і певна кількість важких металів. Розрахунки показують, що у дослідний період, а саме: навесні та восени, сюди потрапило сумарно кадмію 15,106 г, свинцю – 129,487 г, міді – 204,197 г. Якщо врахувати, що в окремі роки (1996, 1997 рр.) чисельність птахів була в 10 і більше разів вищою, ніж в період експериментальних досліджень, то можна припустити, що щорічне надходження важких металів зоогенним шляхом може з часом призвести до значного перевищення фонового вмісту важких металів в грунтах.

Однак висока толерантність досліджуваних ґрунтів та інтенсивність процесів мінералізації органічної речовини, і транслокації рухомих форм у валові в екстремально відновних умовах глеєсолоді поду зумовлюють незначний вміст рухомих форм важких металів у профілі, який не перевищує ГДК, змінюючись в таких межах: Cd від 0,002 до 0,700 мг/кг, Pb від 0,001 до 0,812 мг/кг, Cu від 0,001 до 2,562 мг/кг. При оцінці локального забруднення ґрунтів важкими металами пріоритетне значення має вміст валових форм у акумулятивних ландшафтах (табл. 3).

Таблиця 3.

Вміст валових форм важких металів в профілі глеєсолоді Великого Чапельського поду та темно-каштанових залишково солонцюватих грунтах заповідного степу (кв. 68), мг/кг

Глибина (см) | Досліджувані грунти

Темно-каштановий залишково солонцюватий грунт заповідного степу (кв. 68) | Глеєсолодь Великого Чапельського поду (загін № 7)

Cd | Pb | Cu | Cd | Pb | Cu

0-30 | 3,8 | 27,8 | 18,0 | 3,0 | 27,8 | 25,0

30-50 | 3,5 | 26,2 | 16,8 | 3,5 | 28,8 | 21,0

50-80 | 3,5 | 29,2 | 17,5 | 3,0 | 28,0 | 17,2

80-150 | 3,2 | 27,0 | 16,5 | 3,2 | 28,8 | 20,0

ГДК | 3,0 | 32,0 | 100,0

Відмічається незначне розходження значень між подовим ґрунтом та навколишніми зональними ґрунтами вододілу. Логічно виникає питання: куди переміщуються кадмій, свинець і мідь, що надійшли зоогенним, а також аеральним та агрогенним шляхами? Акумулятивний ландшафт Великого Чапельського поду являє собою кінцеву ланку латеральної міграції досліджуваних елементів: переважна кількість заліза та марганцю із супутніми важкими металами, які туди надходять, захоронюються у донних відкладах водойми та в профілі глеєсолоді у вигляді залізо-марганцевих конкрецій. Аналіз результатів вимірювання валових форм кадмію, свинцю та міді в залізо-марганцевих конкреціях виявив (табл. 4), що досліджувані новоутворення активно акумулюють важкі метали, особливо кадмій та мідь, які адсорбуються на оксидах та гідроксидах заліза та беруть участь у реакціях катіонного обміну і, таким чином, виводять їх із геохімічного кругообігу. Таблиця 4.

Вміст валових форм важких металів в залізо-марганцевих конкреціях Великого Чапельського поду (мг/кг)

Досліджувані елементи | Вміст валових форм важких металів (мг/кг) в залізо- марганцевих конкреціях: | Середньо- профільний вміст валових форм важких металів в глеєсолоді

із намулу ставка біля берега | із намулу ставка на глибині | із ґрунтового профілю

Cd | 6,5 | 8,2 | 8,5 | 3,18

Pb | 28,2 | 23,8 | 24,5 | 28,38

Cu | 38,0 | 39,5 | 40,8 | 20,8

Роль штучних водойм у накопиченні важких металів екосистемами полігону. Встановлено, що штучні водойми заповідника характеризуються середньомінералізованими нейтральними сульфатно-хлоридними артезіанськими водами нормальної якості з високою здатністю до саморегуляції хімічного складу води.

Супераквальний ландшафт Великого Чапельського поду являє собою кінцеву ланку латеральної міграції: переважна кількість заліза та марганцю із супутніми важкими металами, які туди надходять, захоронюються у його донних відкладах у вигляді залізо-марганцевих конкрецій, що характеризує їх як потужний окисно-акумулятивним бар’єр з дуже високою ємністю поглинання.

Досліджено, що вплив погодних факторів на хімічний склад водойм резервату є тимчасовим. Однак характер опадів впливає на мінералізацію води: зливові дощі її знижують, а опади циклічного характеру – підвищують.

Накопичення важких металів фітоценозом, як ланка їх біогеохімічного кругообігу. Рослинність цілинного степу характеризується недостатнім вмістом міді, середнім вмістом свинцю та підвищеним вмістом кадмію (табл. 5). Визначено тенденцію до підвищення інтенсивності біологічного поглинання кадмію та свинцю в усіх системах ґрунт-рослини цілинного степу: коефіцієнт біологічного поглинання Cd становить 0,24-0,32; Pb – 0,11-0,15; Cu – 0,33-0,65. Таблиця 5.

Середній вміст кадмію, свинцю та міді в надземній та підземній фітомасі природного ядра заповідника “Асканія-Нова”

Стаціонари | Досліджувані фракції | Вміст важких металів в фітомасі, мг/кг сухої речовини

Cd | Pb | Cu

Заповідний степ, кв. 68 | Біомаса та сухостій | 0,2 | 1,0 | 2,0

Підстилка | 0,7 | 6,8 | 6,3

Коріння 0-10 см | 1,3 | 7,2 | 19,8

Коріння 10-20 см | 0,8 | 6,1 | 14,0

Велика степова галявина | Біомаса та сухостій | 0,2 | 0,7 | 2,0

Підстилка | 0,5 | 3,3 | 3,6

Коріння 0-10 см | 0,4 | 10,1 | 13,2

Коріння 10-20 см | 0,5 | 11,8 | 14,3

Великий Чапельський під | Біомаса та сухостій | 0,2 | 0,7 | 4,0

Підстилка | 0,5 | 3,5 | 4,3

Коріння 0-10 см | 0,8 | 8,8 | 12,8

Коріння 10-20 см | 0,6 | 6,1 | 9,6

Для стаціонарів цілинного степу основним біологічним бар’єром по відношенню до всіх досліджуваних металів є система підстилка-коріння (0-20 см), а найбільші їх концентрації містяться в 0-10 см шарі коріння (табл. 5).

Разом з тим біоблок “Великої степової галявини” характеризується деякими відмінностями: максимальні кількості кадмію, свинцю та міді зафіксовано в 10-20 см-шарі коріння, що пояснюється впливом ефекту фіторемедіації (відбувається процес закріплення висхідного міграційного потоку, що реалізується як винос важких металів з рослинами під впливом сінокісного режиму, а основні кількості біогеохімічних форм міграції, депоновані у 0-10 см - шарі коріння, трансформуються в нижні шари).

Акумуляція важких металів хірономідами в депресивних гідроекосистемах. Живі організми є потужним геохімічним бар’єром на шляху міграції багатьох хімічних елементів. Біоіндикаційні дослідження личинок хірономід (Diptera: Chironomidae) в природних умовах показують їх провідне значення в функціонуванні ролі донних спільнот в екосистемі водойм, являючись активними учасниками процесів самоочищення, та значну чутливість до токсичного впливу важких металів.

Оцінка ступеню сорбції металів здійснювалась за показником, аналогічним коефіцієнту Полинова–Перельмана, що характеризує відношення вмісту важких металів в личинках відносно їх концентрації у водному середовищі. Максимальні коефіцієнти встановлені для міді та свинцю (3666,7 та 3689,7 відповідно), однак для кадмію він також значний – 28,69. Така схильність до поглинання металів характеризує їх як організми з дуже високим ступенем біоіндикаційних властивостей. Встановлено, що максимальні концентрації важких металів представлені кислоторозчинними формами. Вміст обмінних форм становить: 14,29 % кадмію, 11,69 % свинцю та.19,63.%.міді. Загалом, для личинок хірономід, що існують в градієнтному полі акумуляції важких металів, кореляційні зв’язки між вмістом металів у воді та в організмах спостерігаються лише для Cd (r = -452) та Pb (r = -0,946). Генетично відпрацьований мікроелементний гомеостаз ефективно підтримується по відношенню лише до такого біологічно важливого елементу, як Cu, а для Cd та Pb, підвищені концентрації яких в середовищі існування зумовлені зоогенно-антропогенним фактором і діють в порівняно короткий проміжок часу, механізми регуляції не створені. Разом з тим, спостерігається пряма кореляція (r = 0,990) між вмістом цього металу в личинках та в залізо-марганцевих конкреціях. Таким чином, конкреції, являючись кінцевою ланкою абіотичної міграції свинцю, конкурують із личинками хірономід, як кінцевою ланкою його біотичної міграції в гідроекосистемі.

Інтенсивність винесення металів хірономідами тісно пов’язана з кількістю речовин, що акумулюють їх личинки протягом свого життя в гідроекосистемі. Біомаса організмів в товщі намулу 9,5 см, що існують в досліджуваній водоймі (середня площа – 6,5 га), становить близько 7601,43 кг/га сухої речовини. Суха речовина при цьому складає 12,64 % від загальної біомаси (60113,6 кг). Таким чином, поглинання важких металів личинками хірономід та наступне винесення їх дорослими організмами із досліджуваної гідроекосистеми, в середньому, становить: Cd – 5,321 г/рік, Pb – 58,531 г/рік, Cu – 81,34 г/рік.

Просторова неоднорідність вмісту важких металів у ґрунтах заповідника. Поведінка кадмію, свинцю та міді у ґрунтах заповідника має відмінні риси на різних стадіях вегетаційного періоду та залежить від типу ґрунтів. Вміст важких металів за коефіцієнтом техногенності менше 1, що не перевищує ГДК і відповідає фоновим значенням північної частини Причорноморської ґрунтової провінції України. Такі значні коливання їх рухомих форм (Cd від 0,002 до 0,700 мг/кг, Pb від 0,001 до 0,812 мг/кг, Cu від 0,001 до 2,562 мг/кг) пов'язуються з різноманітністю і контрастністю геохімічних обстановок досліджуваної території, що зумовлює можливість різних форм поведінки цих елементів в біогеоценозах.

Виявлено, що вплив окремих факторів (динаміка польової вологи ґрунту, рН та вміст органічної речовини) на вміст важких металів у ґрунтах заповідника визначається насамперед, положенням ґрунту у катені та формами знаходження важких металів в ґрунтовому профілі.

Для ґрунтів заповідного степу характерною є більш висока мобільність кадмію, свинцю та міді, ніж для ґрунтів степової галявини, так як через сінокісний режим там постійно відчужується певна кількість їх рухомих форм, що призводить до порушення природного циклу досліджуваних елементів, а на цілині в умовах абсолютно заповідного режиму їх кругообіг відбувається по замкнутому циклу. Характерною закономірністю локалізації рухомих форм важких металів в аридних ландшафтах є тимчасова акумуляція їх мобільних форм в ґрунтах степових депресій: відновна обстановка глеєсолоді обмежує міграційну активність елементів та сприяє переводу їх у валові

Різнорічна динаміка важких металів в досліджуваних ґрунтах на різних стадіях вегетаційного періоду має відмінні риси і залежить від типу ґрунтів. В динаміці міді виявляються літній мінімум та весняно-осінній максимуми. В динаміці рухомого кадмію та свинцю – відмічено збільшення їх кількості весною і поступове зниження протягом всього вегетаційного періоду.

Ландшафтно-геохімічні бар’єри на території полігону. Незважаючи на рівнинність рельєфу, території заповідника притаманна значна мікрострокатість поверхні ґрунту, що в свою чергу урізноманітнює ландшафтно-геохімічну обстановку в регіоні, зумовлюючи формування значної кількості різних “геохімічних бар’єрів” (термін – за О.І..Перельманом, 1961). Спеціального систематичного дослідження з цього питання на території резервату до 2001 року не проводилось, тому зроблена спроба типізації бар’єрів за власними дослідженнями та літературними джерелами. Територія заповідника характеризується функціонуванням наступних геохімічних бар’єрів: карбонатний бар’єр, кисневий (окисний) бар’єр, тимчасовий термодинамічний низькотемпературний бар’єр, біологічний бар’єр (окремо мохи, як комплексний геохімічний бар’єр). Великий Чапельський під Біосферного заповідника "Асканія-Нова" є залишком класичної акумулятивної території Причорноморської низовини, де продовжуються природні процеси накопичення і трансформації органічної речовини та важких металів – вся система “Великий Чапельський під” є “резерватогенним акумулятивним бар’єром” по відношенню до важких металів.

Стійкість грунтів до забруднення важкими металами. Максимальні концентрації важких металів у всіх варіантах досліду, незалежно від концентрацій добавок, були в корінні. Акропетальні коефіцієнти (АК) в фоновому варіанті для свинцю та міді становлять 6,25 та 3,20 відповідно, лише для кадмію відмічається дуже високий АК – 30,0, завдяки його здатності “маскуватися” під біофільний цинк і проникати через кореневий бар’єр в кількостях, не пропорційних його концентрації у субстраті. Збільшення величини АК у варіантах із добавками металів в трикратному та пятнадцятикратному перевищенні фонових концентрацій вказує на те, що рослини відчули на собі значний екологічний стрес. Таким чином, підтверджується бар’єрна функція кореневої системи, яка зумовлює поглинання надлишкових кількостей елементів із ґрунтового розчину та виведення їх із активної біогеохімічної міграції, як в природних умовах, так і при техногенних навантаженнях в системі ґрунт-рослини. Був встановлений тісний прямий кореляційний зв’язок між рН середовища та концентрацією обмінних форм важких металів у ґрунті (амонійно-ацетатний буфер з рН=4,8) (r = 0,88-0,85), а також із вмістом кислоторозчинних форм всіх важких металів (r = 0,817-0,811).

Темно-каштановий залишково солонцюватий ґрунт в умовах заповідного режиму (кв. 68), має коефіцієнт толерантності 0,68 (Макаренко, 2002) і характеризується підвищеною здатністю протистояти техногенним навантаженням, активно акумулюючи полютанти. Відповідно до зміни ступеня рухомості елементів відбуваються зміни інтенсивності біологічного поглинання кадмію, свинцю та міді в досліджуваному ґрунті.

Внесення металів у в трикратному перевищенні фонових концентрацій збільшували інтенсивність біологічного поглинання кадмію, свинцю та міді. Однак при п’ятнадцятикратному підвищенні концентрації розчину – відбувалося гальмування мобільності важких металів у результаті селективного поглинання їх рослинами із ґрунтового розчину: Cd – в 2 рази, Pb – в 11,7 рази, Cu – в 17,96 разів. За нашими розрахунками, при постійному надходженні аеральним шляхом важких металів на територію резервату в кількостях, які у майбутньому не будуть перевищувати концентрації полютантів, зафіксовані протягом досліджуваного періоду, прогноз екологічного ризику забруднення степових ґрунтів важкими металами становить від 58 тис. до 10 млн. років. Таким чином, система ґрунт-рослини досліджуваної території має здатність протистояти техногенним навантаженням, але, при збільшенні концентрацій полютантів у розчині, буде відбуватися порушення функціонування всієї системи.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі дослідження шляхів надходження та особливостей акумуляції потенційно небезпечних хімічних елементів – кадмію, свинцю та міді в межах природного ядра Біосферного заповідника “Асканія-Нова”, та впливу флори і фауни резервату на рівень накопичення і характер міграції важких металів у природних екосистемах.

1. Основними забруднювачами повітряного простору резервату є промислові викиди з Криворіжського та з Північнокримського промислових вузлів. Встановлено, що в екосистеми заповідника аеральним шляхом вноситься значна кількість кадмію, яка в 33 рази перевищує фонові рівні. Досліджено вплив режиму випадання опадів на металічне навантаження дощів: обложні дощі при менших кількостях випадання містять більші концентрації кадмію, свинцю та міді, ніж зливові.

2. Мігруючі Гусеподібні та Журавлеподібні виступають в якості найважливішого зоогенного агента в трансформації органічних речовин та підвищенні концентрації важких металів і їх переносі до подових степових екосистем.

3. Висока толерантність глеєсолоді поду зумовлює включення важких металів до складу залізо-марганцевих конкрецій, що спричиняє їх блокування в наступному геохімічному кругообігу.

4. Міграція важких металів у ґрунтах резервату має відмінні риси на різних етапах вегетаційного періоду цілинної рослинності заповідника і залежить від типу ґрунтів. У динаміці вмісту міді встановлено літній мінімум та весняно-осінній максимуми. В динаміці рухомого кадмію та свинцю в ґрунті відмічено збільшення їх кількості весною і поступове зниження протягом всього вегетаційного періоду.

5. Рослинність цілинного степу характеризується недостатнім вмістом міді, середнім вмістом свинцю та підвищеним вмістом кадмію. Концентрація важких металів у підстилці перевищує їх вміст у надземній фітомасі. Лише для рослинності Великого Чапельського поду вміст міді у підстилці дорівнює її вмісту у надземній фітомасі. Основним біологічним бар’єром (цілинна степова рослинність) по відношенню до всіх досліджуваних металів є система підстилка-коріння (0-20 см), а максимальні їх концентрації містяться в корінні на глибині 0-10 см.

6. Для ґрунтів заповідного степу характерною є вища мобільність всіх важких металів, порівняно з ґрунтами степової галявини, оскільки через сінокісний режим використання там постійно відчужується певна кількість їх рухомих форм, що призводить до порушення природного циклу досліджуваних елементів, а на цілині в умовах абсолютно заповідного режиму їх кругообіг відбувається за замкнутим циклом.

7. Досліджувана територія характеризується функціонуванням наступних геохімічних бар’єрів: карбонатний бар’єр, кисневий (окисний) бар’єр, тимчасовий термодинамічний низькотемпературний бар’єр, біологічний бар’єр (окремо мохи, як комплексний геохімічний бар’єр). Великий Чапельський під Біосферного заповідника "Асканія-Нова" є залишком класичної акумулятивної території Причорноморської низовини, де продовжуються природні процеси накопичення і трансформації органічної речовини та важких металів.

8. Система грунт-рослини досліджуваного полігону має здатність протидіяти техногенним навантаженням: при збільшенні рівня забруднення важкими металами відбувається підвищення концентрацій