Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

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

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).

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:

(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:

. (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

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:

(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):

(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

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.